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目录

1. 第一篇运动学论文范文参考：冗余机器人的运动学及轨迹规划的研究
2. 第二篇运动学论文样文：柔性关节机械臂及其运动学标定和振动抑制的研究
3. 第三篇运动学论文范文模板：支链布局对一类三自由度并联机构结构约束及运动学性能的影响研究
4. 第四篇运动学论文范例：仿袋鼠跳跃机器人运动学及动力学研究
5. 第五篇运动学论文范文格式：基于杆组法的机构型综合与运动学分析系统研究

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第一篇运动学论文范文参考：冗余机器人的运动学及轨迹规划的研究

机器人的正逆运动学和轨迹规划,始终是控制机器人运动并执行各种任务的理论基础.本文围绕冗余机器人的逆运动学优化求解以及轨迹规划等问题,完成了如下两大部分工作：

第一部分是冗余机器人的逆运动学解的求取及优化问题(包括第二、三章).为了提高计算速度以便在线应用,本文侧重于以解析的形式获取逆运动学的解.根据产生冗余问题的原因,将其分为两类：由于机器人末端位姿约束不完整所带来的冗余解优化问题,以及由于机器人本身的自由度数目多于一般的任务空间维度(通常为六自由度)所带来的冗余解优化问题.

第二章针对机器人末端位姿约束不完整所带来的冗余解优化问题,以一个六自由度的乒乓球机器人手臂为例,通过对机器人手臂在空间中的几何构型以及各连杆之间的位置关系进行分析,以机器人手臂的动能最小为优化目标,采用几何解析方法对机器人手臂的末端执行器姿态进行优化求取,从而得到优化后完整的末端执行器的位姿矩阵,这是解决逆运动学问题的重要前提条件,然后可求得该机器人的逆运动学.

第三章针对机器人本身的自由度数目多于一般的任务空间维度所带来的冗余解优化问题,以一个七自由度的空间宇航臂为例,根据它的三个相邻关节轴互相平行的特殊结构,提出了一种基于旋量理论的解析形式的逆运动学解法,最终可用一个关节参数表示出所有的逆运动学解.然后给出了一种针对多解问题的通用的优化方法,从而在该冗余机器人的所有逆运动学解中选取出给定目标函数对应的最优解.

第二部分是冗余机器人的轨迹规划问题(包括第四、五章).根据给定的任务需求特点,将其分为两类：关节空间下的轨迹规划,以及笛卡尔空间下的轨迹规划.

第四章针对关节空间下的轨迹规划问题,在满足各种关节角速度、角加速度、jerk等运动学限制的条件下,求解任意初末状态下的关节空间最小加速度的轨迹规划.提出了完备的最小加速度轨迹规划的求解方法,并给出了这种轨迹规划问题的解存在的充分必要条件,同时在理论上证明了文中算法确实是最小加速度的轨迹规划,此外还对规划过程中的关节限位问题进行了处理.

第五章针对笛卡尔空间下的轨迹规划问题,对传统的基于雅克比矩阵广义逆的轨迹规划方法进行了改进,从而减小了传统方法中的误差累积问题,此外还对规划过程中的运动学奇异性进行了分析和处理,最后对笛卡尔空间的轨迹规划与逆运动学问题的求解二者之间的联系进行了总结.

第二篇运动学论文样文：柔性关节机械臂及其运动学标定和振动抑制的研究

轻型机械臂由于其轻型化、类人构型、多传感器等特点,近年来在众多领域得到了广泛的应用,并发挥着重要的角色.在机械臂的末端精度改善方面,通常采用的方法是闭环控制.然而,由于加工及装配误差引起的末端位姿误差,闭环控制是无能为力的.需要利用高精度的位置测量仪器对机器人进行运动学参数标定以降低加工及装配误差对末端精度的影响.此外,为达到高减速比以及轻型化的目标,同时实现对关节力矩的检测,机械臂的关节内通常都含有谐波减速器以及力矩传感器等柔性元件.这些元件给关节引入了柔性.具有柔性关节的轻型机械臂通常称为柔性关节机械臂.关节的柔性将引起机械臂的振动,这将严重影响机械臂的使用,同时也会使得运动学标定对末端位姿精度的提高失去意义,因此必须对这种振动加以抑制.本文将对柔性关节机械臂及其运动学参数标定和振动抑制进行深入的研究.

首先将研制一套六自由度柔性关节机械臂系统,包括机械系统、传感系统以及电气系统.具体地,首先通过对机械臂末端灵活度、负载能力以及逆运动学解耦等要求的分析,确定了机械臂的自由度数及构型.根据机械臂各关节所处位置及其承载不同,采用局部模块化设计思想设计机械臂关节.关节采用内部走线的结构布局,具有质量轻、传动比大、集成度高、多传感器以及机电一体化等特点.此外,为方便拆卸和维护,设计了基于弹簧插针的电气连接.

为进行运动学参数标定,建立反映运动学参数误差与末端位姿误差关系的运动学误差模型.针对机械臂肩关节与肘关节相互平行的运动学特点,采用了改进的D-H参数法分析这种特殊情况下相邻杆件位姿误差的表示方法.为研究机械臂的振动抑制问题,建立机械臂动力学模型.由于关节柔性的存在,关节电机端的转角与连杆端的转角并不相等,这是引起振动的主要原因.在动力学方程中,以电机端转角为输入求解连杆端转角.由于系统刚度矩阵数量级较大,机器人的动力学方程属于刚性微分方程,常规的数值解法很难得到收敛解.为得到收敛解,本文将采用四阶隐式龙格库塔法求解机器人动力学方程.

以运动学误差模型为基础,研究基于最小测量姿态数量选择的机械臂运动学标定方法.包括最小测量姿态数量的选择以及姿态组的优化.通过分析可观性指数以及末端位姿误差随姿态数量增加的变化规律,选择测量姿态数量的最小值.当用于标定的测量姿态数量超过该最小值后,机器人的末端精度将无明显变化.为消除姿态选择过程中可能选到的不可观测姿态,提出一种“交换-增加-交换”的方法对姿态组进行优化.基于最小测量姿态数量的机械臂运动学标定方法可以在标定的效率与精度上取得平衡,即用最少的时间得到较高的标定结果.

采用关节轨迹离线优化的方法抑制柔性关节机械臂的残余振动.以引起残余振动的根源残余弹性势能为目标函数,提出带罚函数的压缩因子粒子群算法(ConstrictionfactorPSOwithPunishmentfunction,CPSOP)搜索对应最小残余弹性势能的关节轨迹,达到抑制残余振动的目的.为得到平滑的关节轨迹,减少机械臂在运动始末速度的冲击,设计了改进的分段三次样条函数作为关节轨迹函数.在关节轨迹的搜索过程中,如果不对轨迹控制点加以约束,可能会得到不安全的关节轨迹,这将有可能导致碰撞等危险情况的发生.而粒子群算法是一种无约束优化方法,无法实现对关节轨迹搜索范围的约束.本文将罚函数引入粒子群算法,将对关节轨迹控制点的约束通过罚因子的形式加入到目标函数,从而实现了在约束范围内的关节轨迹寻优.

对于柔性关节机械臂运动过程中的振动,基于关节力矩传感器,提出振动预测准则,并通过三段式DKA(Decelerating-Keeping-Accelerating)在线轨迹修正法在检测到机械臂振动趋势时修正关节轨迹以减小该趋势,抑制机械臂将来可能发生的振动.该振动预测准则包含两个充分条件,分别是关节误差力矩大于力矩阈值以及在一定的时间阈值内检测到的误差力矩逐渐增大.关节误差力矩通过力矩传感器测量的关节实际力矩与动力学计算的关节理论力矩做差求得.当关节误差力矩满足预测准则的两个条件时,判断机械臂将发生振动.通过先减速、后匀速再加速的三段式在线轨迹修正法对关节初始期望轨迹进行修正,减小振动趋势,从而抑制机械臂运动过程中的振动.

第三篇运动学论文范文模板：支链布局对一类三自由度并联机构结构约束及运动学性能的影响研究

支链布局方式对少自由度并联机构的结构约束及运动学性能具有非常重要的影响作用,而目前针对此方面的研究尚处于个案研究阶段.本文以一类含有5自由度运动支链的3自由度并联机构为研究对象,揭示机构支链布局方式对该类机构的结构约束影响关系及其对机构在运动学层面上的影响作用,主要研究内容和成果如下：

1、首先确定单个运动副的空间布置参数,在此基础上,针对组成并联机构的不同运动支链结构形式,确定决定支链布局形式的尺度参数与结构参数,将机构运动支链空间布局方式变化的几何问题转化为参数取值及组合的数学问题,通过参数的不同取值和组合可得到由相同运动支链构成的不同机构构型,这对提出新型机构构型具有重要的理论意义与实用价值.

2、借助螺旋理论,建立少自由度并联机构的全雅克比矩阵,得到少自由度并联机构的速度正、逆解模型,进而获得机构运动支链的末端速度,在此基础上通过考察运动支链驱动力与支链末端速度的方向关系,建立基于支链传动压力角这一机构运动学性能指标,为评价位姿耦合型少自由度并联机构的运动学性能提供了有效指标.

3、通过支链空间布局参数的不同取值和组合,分别得到由RPS、PRS、SPR以及PSR运动支链组成的不同构型3-RPS、3-PRS、3-SPR以及3-PSR并联机构,在此基础上研究了支链布局方式对上述并联机构的结构约束的影响关系,并利用支链传动压力角运动学性能指标,对所获得的不同构型的3-RPS、3-PRS、3-SPR以及3-PSR并联机构的运动学性能进行了分析与对比研究,为后续的机构研究与构型选型及优化奠定了理论基础.

本文研究成果对丰富和发展少自由度并联机构学设计理论,推进并联机器人技术的工程应用具有重要的理论意义和实用价值.

第四篇运动学论文范例：仿袋鼠跳跃机器人运动学及动力学研究

仿袋鼠跳跃机器人的研究是机器人领域的一个前沿性课题.袋鼠为双足同步跳跃模式,具有速度快、运动稳健、立足面小及耗能低等优点.仿袋鼠跳跃机器人的结构及控制简单,智能化要求不高,可适应在非结构化、未知环境下工作,能灵活、可靠地执行任务,因而它可广泛地用于星际探测、军事侦察、地质勘探、森林防护、抢险救灾以及反恐防爆等领域.

本文提出了借助于生物运动录像资料研究仿生机构的方法.基于对袋鼠跳跃录像资料的分析,采用理论建模与计算仿真的研究方法,在研究搞清袋鼠生物系统的跳跃运动结构、形态及特征及其运动机理的基础上,提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型,进而进行了仿生跳跃运动学及动力学研究,建立了仿袋鼠跳跃机器人机构分析理论及设计方法,从机构学角度揭示了袋鼠跳跃的运动机理,为仿袋鼠跳跃机器人的实现,解决其弹跳机构、弹跳动力等关键技术奠定理论基础.

通过对袋鼠跳跃录像资料分析,结合其生物学研究成果,研究了袋鼠生物系统运动结构的尺寸比例和质量分布规律,分析了袋鼠跳跃的运动形态和特征,以及其腿部肌腱、柔性长脚及尾巴的特殊功能；基于袋鼠腿部的弹簧-质量模型,推导了其跳跃时地面反力、能量变化及腿部当量弹簧刚度系数计算公式,揭示了袋鼠跳跃运动结构与形态上的一些规律和影响跳跃运动的主要因素及主要参数,发现了一些有价值的仿生研究点.

针对袋鼠跳跃运动特征,提出了具有柔性脚趾的仿袋鼠跳跃多杆机构模型,建立了着地与腾空两个阶段的仿袋鼠跳跃单腿机构分析模型及坐标系,分析了相应的运动参数及其取值范围以及坐标变换矩阵,为仿袋鼠跳跃机器人的运动学及动力学研究提供了基础.

建立了仿袋鼠机器人跳跃运动步态的运动学.应用D-H法和矩阵乘逆法分别从着地和腾空两个阶段对机器人进行了正、逆位姿分析,给出了位姿正解方程和逆解解析式；通过机器人雅可比矩阵和微分运动分析,建立了仿袋鼠机器人速度分析的方法；采用Matlab编程,结合实例对模型进行了运动步态仿真计算分析.研究表明,模型的跳跃步态和质心运动等特性与现有实验测试规律吻合较好,揭示了袋鼠跳跃跃远度大、运动平稳及耗能低的运动学规律.

建立了考虑落地冲击的仿袋鼠跳跃机器人跳跃全过程多刚体系统动力学模型.针对袋鼠跳跃运动的特点,从跳跃运动的腾空、冲击及着地三个阶段,建立了仿袋鼠机器人四刚体系统动力学模型和冲击模型,应用Lagrange方法和动量矩定理,建立了对应三个阶段的系统动力学方程和躯干摆动方程,研究了机器人全跳跃周期的关节空间的轨迹规划,推导给出了相应的公式；利用Matlab工具,对结构仿生的跳跃机构模型进行了轨迹规划和运动及动力特性仿真计算研究.结果表明：该模型能达到模拟袋鼠跳跃运动步态和特性的要求,可以用来预测机器人整个跳跃过程的跳跃姿态、质心轨迹、关节驱动力矩和地面反力以及冲击情况,但在加速度预测尚存在一定的误差.所建立的仿生跳跃机器人全程多刚体动力学的理论及方法具有指导意义.

提出了仿袋鼠柔性跳跃机器人机构模型及其动力特性分析方法.采用线性扭转弹簧模拟关节柔性和袋鼠腱储存弹性能的作用,提出了仿袋鼠柔性关节的单腿跳跃机构伪刚体模型,用凯恩法建立了系统动力学方程,给出了着地阶段各关节驱动力矩方程；用柔性悬臂梁结构模拟袋鼠柔性脚趾弹性变形及缓冲作用,提出了仿袋鼠柔性脚趾的动力学模型,应用弯矩作用的柔性悬臂梁形变理论,分析给出了机器人柔性脚趾对趾关节位置影响的规律、环境动力学方程和起跳离地条件.结合实例对上述动力特性进行了仿真计算分析.结果表明：柔性关节可有效降低踝关节驱动力矩的峰值,使其得以均衡,有利于解决弹跳机器人电机驱动的关键技术；柔性脚趾模型能有效增大起跳时间,提高弹跳初速度和改善脚部压力,可增强对环境适应的范围；揭示了袋鼠跟腱发达的动力学机理.为仿袋鼠柔性弹跳机器人的设计与控制提供了理论依据.

第五篇运动学论文范文格式：基于杆组法的机构型综合与运动学分析系统研究

本文论述了机构学研究现状,重点探讨了全铰链N杆组的机构型综合,提出了一种杆组的拓扑图绘制方法；提出变胞元杆组概念、基于基本杆组和变胞元杆组的变胞机构设计理论；对基本4杆组和变胞元4杆组进行包含移动副的构型综合分析；探讨高级别杆组的非线性方程组解法,实验论证了4杆组构型综合理论,研制完成基于杆组法构建的机构运动学分析软件.

（1）在已有研究的基础上,本文首先计算分析并推导出杆组的特征值,提出了一种杆组拓扑图的绘制原则.基于有限的杆组特征值组合,采用拓扑图法对1环以内、不包含5元以上构件的2至10杆组进行了构型综合,列表给出了这些全铰链杆组的拓扑图和结构图.通过对比杆组特征值和杆组结构图谱,可快速准确地判别结构复杂机构的级别,利于后续采用杆组模块化运动学分析求解.提出了杆组构型的数组表示法,并列出了构型表,实现了杆组的数字化表示.通过实例分析了上述理论方法的正确性.

（2）提出杆组构型综合的实用可动型理论,对4A杆组和4B杆组提出了一种新的、直观的命名方法,通过杆组名称可直观地获得杆组结构构型.基于实用可动型进一步分析和论证4A杆组有16种、4B杆组有21种构型综合.

结合目前变胞机构的研究热点,提出变胞元杆组的概念,提出基于基本杆组和变胞元杆组的变胞机构设计方法、变胞方式等理论,举例分析了变胞元杆组的蜕化和衍生原理,分析确定变胞元4A杆组、变胞元4B杆组构型综合分别为66种和70种,并列表给出其结构图.以上研究为机构学的理论拓展和变胞机构的设计、开发应用提供了可行的理论方法和详实的图表数据.

（3）完成了基于杆组法构建的机构运动学分析系统的设计与实现,阐述系统整体设计思路,以及关键技术,如4杆组的非线性方程组解法、所有2,4杆组的归一化求解实现、含附加杆的机构组建、杆组或构件不同联入方式的信息处理、多自由度机构仿真预运行、提出高级别杆组可行域的概念、利用机构初始构态信息作为迭代初值去求解位移模块,较好地解决了非线性方程组求解对迭代初值的依赖性等.基于杆组法构建的机构运动学分析系统,从仿真实验的角度论证了4杆组基于实用可动性的构型综合结论的正确性,同时为广大机构学者提供了一款能快速建模、运动学分析和信息显示输出的便捷工具软件.

（4）最后结合作者创新设计的斗牛士健身车、救援变形金刚等作品,运用杆组法进行结构分析,使用该软件进行机构运动学分析,实验表明,该系统容错性强、分析计算快速准确,具有较好的实用价值.

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