重載工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與性能保障,機(jī)械工程碩士論文

重載工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與性能保障,機(jī)械工程碩士論文摘要重載工業(yè)機(jī)器人能代替人工在高危惡劣的環(huán)境下進(jìn)行重載作業(yè)，具有負(fù)載大、工作效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。針對于廣泛應(yīng)用的重載工業(yè)機(jī)器人而言，怎樣保障工作性能是該領(lǐng)域的研究熱門之一。本文以提高重載工業(yè)機(jī)器人的性能為目的，開展重載工業(yè)機(jī)器人概念設(shè)計、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析、性能指標(biāo)分析、軌跡規(guī)劃等方面的研究，論文的主要工作內(nèi)容與研究成果如下：針對各個工程領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苤剌d工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用需求，考慮機(jī)器人本體自重、負(fù)載能力、構(gòu)造剛度和工作空間等設(shè)計要求，以構(gòu)造平衡設(shè)計、輕量化設(shè)計以及可重構(gòu)設(shè)計為思路，對高性能重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行概念設(shè)計，提出一系列重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型方案。以層次分析法為理論基礎(chǔ)，從本體自重、負(fù)載能力、所占空間、機(jī)構(gòu)剛度、受力性能及工作空間六方面對設(shè)計的構(gòu)型方案進(jìn)行分析和評價，分析遴選出最優(yōu)方案連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人作為研究對象。對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，采用D-H法建立機(jī)器人構(gòu)造參數(shù)模型，求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解和反解，分析各關(guān)節(jié)的角位移、角速度、角加速度和角躍度。采用蒙特卡洛隨機(jī)采樣法分析機(jī)器人的工作空間，得到機(jī)器人工作空間的立體圖。在給定特定的運(yùn)動軌跡與運(yùn)動周期條件下對運(yùn)動學(xué)模型進(jìn)行計算仿真，驗證機(jī)器人的運(yùn)動趨勢。采用拉格朗日方程法分別對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與典型雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)建模，分析機(jī)器人各桿件的動能和勢能，推導(dǎo)機(jī)器人系統(tǒng)剛體動力學(xué)方程中慣量矩陣、Coriolis力和離心力矩陣以及重力項矩陣，求解各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的表示出式。給定機(jī)器人構(gòu)造參數(shù)對這兩種構(gòu)造機(jī)器人動力學(xué)進(jìn)行計算仿真并比照分析仿真結(jié)果。從運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)的角度考慮，提出各關(guān)節(jié)力矩、條件數(shù)、承載能力、功率和能耗等指標(biāo)對連桿-絲桿傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行性能評估。以重載碼垛任務(wù)為例對機(jī)器人進(jìn)行基于能耗最優(yōu)的軌跡規(guī)劃，以機(jī)器人運(yùn)行經(jīng)過中消耗的總能量為目的函數(shù)，以運(yùn)行時間、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)輸出力為約束，同時考慮減少機(jī)器人末端殘存余留振動，保證運(yùn)行結(jié)束機(jī)會器人末端的加速度為零，運(yùn)用龍格庫塔方式方法與多重打靶法在全局范圍內(nèi)求取能耗最低的運(yùn)動軌跡并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表示清楚進(jìn)行能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃后機(jī)器人的總能耗明顯降低。分別將SolidWorks軟件中建立的連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件中建立其虛擬樣機(jī)模型，導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)對兩種重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，包括運(yùn)動學(xué)仿真與動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果與理論模型趨勢一致，進(jìn)而驗證了理論模型的正確性。本文關(guān)鍵詞語：重載工業(yè)機(jī)器人；概念設(shè)計；運(yùn)動學(xué)；動力學(xué)；性能評估；軌跡規(guī)劃。ABSTRACTHeavydutyindustrialrobotcanreplacemanualworkinhigh-riskandharshenvironment.Ithastheadvantagesoflargeload,highefficiencyandgoodstability.Forthewidelyusedheavydutyindustrialrobot,howtoguaranteetheworkingperformanceisoneoftheresearchhotspotsinthisfield.Inordertoimprovetheperformanceofheavy-dutyindustrialrobot,thispaperstudiestheconceptualdesign,kinematicsanddynamicsanalysis,performanceindexanalysisandtrajectoryplanningofheavy-dutyindustrialrobot.Themaincontentsandresearchresultsareasfollows:Accordingtotheapplicationrequirementsofhigh-performanceheavy-dutyindustrialrobotsinvariousengineeringfields,consideringthedesignrequirementsofrobotbodyweight,loadcapacity,structuralstiffnessandworkspace,theconceptualdesignofhigh-performanceheavy-dutyindustrialrobotiscarriedoutbasedontheideaofstructuralbalancedesign,lightweightdesignandreconfigurabledesign,andaseriesofconfigurationschemesofheavy-dutyindustrialrobotareproposed.Basedontheanalytichierarchyprocess(AHP),thispaperanalyzesandevaluatesthedesignschemefromsixaspects:bodyweight,loadcapacity,occupiedspace,mechanismstiffness,mechanicalperformanceandworkspace,andselectstheoptimalschemeconnectingrodleadscrewdrivebalancedheavy-dutyindustrialrobotastheresearchobject.Kinematicsanalysisofbalancedheavy-dutyindustrialrobotdrivenbyconnectingrodandleadscrewiscarriedout.TheD-Hmethodisusedtoestablishthestructureparametermodeloftherobot.Theforwardandinversekinematicssolutionsoftherobotaresolved,andtheangulardisplacement,angularvelocity,angularaccelerationandangularjumpofeachjointareanalyzed.MonteCarlorandomsamplingmethodisusedtoanalyzetheworkspaceoftherobot,andthestereogramoftheworkspaceisobtained.Thekinematicsmodelissimulatedinagiventrajectoryandperiodtoverifythemovementtrendoftherobot.Lagrangeequationmethodisusedtomodelthedynamicsofthebalancedheavy-dutyindustrialrobotdrivenbyconnectingrodandleadscrewandthetypicaldoubleparallelogramheavy-dutyindustrialrobot.Thekineticenergyandpotentialenergyofeachlinkoftherobotareanalyzed.Theinertiamatrix,Coriolisforce,centrifugalforcematrixandgravitytermmatrixintherigidbodydynamicsequationoftherobotsystemarederived,andtheexpressionsofdrivingtorqueofeachjointaresolved.Giventhestructureparametersoftherobot,thedynamicsofthetwokindsofstructurerobotsarecalculatedandsimulated,andthesimulationresultsarecomparedandanalyzed.Fromtheperspectiveofkinematicsanddynamics,thejointtorque,conditionnumber,carryingcapacity,powerandenergyconsumptionareproposedtoevaluatetheperformanceofthelinkscrewdriveheavy-dutyindustrialrobot.Takingtheheavyloadpalletizingtaskasanexample,thetrajectoryplanningoftherobotbasedontheoptimalenergyconsumptioniscarriedout.Thetotalenergyconsumedduringtheoperationoftherobotistakenastheobjectivefunction,andtherunningtime,motorspeedandmotoroutputforcearetakenasconstraints.Atthesametime,theresidualvibrationattheendoftherobotisconsideredtoreducetoensurethattheaccelerationattheendoftheoperationiszero,TheRungeKuttamethodandmultipleshootingmethodareusedtoobtainthelowestenergyconsumptiontrajectoryintheglobalrange,andthesimulationanalysisiscarriedout.Theresultsshowthatthetotalenergyconsumptionoftherobotissignificantlyreducedafterenergyconsumptionoptimaltrajectoryplanning.Thethree-dimensionalmodelsofconnectingrodleadscrewdrivebalancedheavy-dutyindustrialrobotanddoubleparallelogramheavy-dutyindustrialrobotestablishedinSolidWorkssoftwareareimportedintoADAMSsoftwaretoestablishtheirvirtualprototypemodels.Thetestdataareimportedtosimulatethevirtualprototypeofthetwoheavy-dutyindustrialrobots,includingkinematicssimulationanddynamicssimulation.Thesimulationresultsarebasicallyconsistentwiththetrendofthetheoreticalmodel,whichverifiesthecorrectnessofthetheoreticalmodel.Keywords:Heavydutyindustrialrobot;Conceptualdesign;Kinematics;Dynamics;Performanceevaluation;Trajectoryplanning。文章為碩士論文，如需全文請點(diǎn)擊底部下載全文鏈接】1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)在狀況.1.2.1重載工業(yè)機(jī)器人發(fā)展大概情況.1.2.2重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造設(shè)計.1.2.3重載工業(yè)機(jī)器人性能指標(biāo)1.2.4重載工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃.1.2.5虛擬樣機(jī)技術(shù).1.3課題主要研究內(nèi)容.第二章重載工業(yè)機(jī)器人概念設(shè)計.2.1引言.2.2重載工業(yè)機(jī)器人設(shè)計目2.3概念設(shè)計.2.3.1構(gòu)造平衡設(shè)計.2.3.2輕量化設(shè)計.2.3.3可重構(gòu)設(shè)計.2.4方案分析與評價.2.4.1評價方式方法.2.4.2評價模型.2.4.3評價結(jié)果.2.5本章小結(jié).第三章重載工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析.3.1引言.3.2機(jī)器人構(gòu)造參數(shù)建模.3.2.1剛體位姿描繪敘述方式方法.3.2.2連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量.3.3重載工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解.3.3.1機(jī)構(gòu)描繪敘述.3.3.2運(yùn)動學(xué)正解3.4重載工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)反解.3.5工作空間分析3.6算例仿真.3.7本章小結(jié)第四章重載工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)分析.4.1引言.4.2動力學(xué)分析方式方法簡述.4.3機(jī)器人剛體動力學(xué)模型.4.3.1連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)建模4.3.2雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人動力學(xué)建4.4動力學(xué)算例4.5本章小結(jié).第五章重載工業(yè)機(jī)器人性能評估.5.1引言.5.2性能指標(biāo)分析.5.2.1運(yùn)動學(xué)性能.5.2.2動力學(xué)性能.5.3算例仿5.4本章小結(jié).第六章重載工業(yè)機(jī)器人能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃6.1引言.6.2基于能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃的數(shù)學(xué)描繪敘述.6.2.1問題描繪敘述6.2.2能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃求解.6.3軌跡規(guī)劃仿.6.4本章小結(jié).第七章重載工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)仿真7.1引言7.2重載工業(yè)機(jī)器人虛擬樣機(jī)建7.3虛擬樣機(jī)仿7.4本章小結(jié).第八章全文總結(jié)本文以提高重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造性能與操作性能為目的，首先從構(gòu)造方面考慮機(jī)器人本體自重、負(fù)載能力、構(gòu)造剛度和工作空間等設(shè)計要求，對重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行概念設(shè)計，包括構(gòu)造平衡設(shè)計、輕量化設(shè)計和可重構(gòu)設(shè)計，提出一系列高性能重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型方案并分析遴選出性能最優(yōu)的設(shè)計方案作為本文研究對象。其次，對研究對象進(jìn)行理論分析，包括運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析與性能指標(biāo)分析等相關(guān)研究，根據(jù)重載工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模型，提出具有明顯物理意義的性能指標(biāo)進(jìn)行性能評估。然后，針對重載工業(yè)機(jī)器人能耗大的問題，對其進(jìn)行基于能耗最優(yōu)的軌跡規(guī)劃。最后，通過搭建重載工業(yè)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型對理論進(jìn)行驗證。全文得到下面結(jié)論：(1)構(gòu)型設(shè)計方面針對各個工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅苤剌d工業(yè)機(jī)器人的需求，考慮機(jī)器人本體自重、負(fù)載能力、構(gòu)造剛度和工作空間等設(shè)計要求，以構(gòu)造平衡設(shè)計、輕量化設(shè)計以及可重構(gòu)設(shè)計為思路，對高性能重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計。提出一系列重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型方案，并分析遴選出構(gòu)造性能最優(yōu)的構(gòu)型。以層次分析法為理論基礎(chǔ)，從本體自重、負(fù)載能力、所占空間、機(jī)構(gòu)剛度、受力性能及工作空間六方面對設(shè)計的構(gòu)型方案進(jìn)行分析和評價，得到各個構(gòu)型方案的最終評估值，分析出構(gòu)造平衡設(shè)計方案四(連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人)為高性能重載工業(yè)機(jī)器人的優(yōu)選構(gòu)造。(2)理論建模方面根據(jù)齊次變換法描繪敘述重載工業(yè)機(jī)器人的末端位姿，采用D-H法建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人構(gòu)造參數(shù)模型，求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解和運(yùn)動學(xué)反解，分析各關(guān)節(jié)的角位移、角速度、角加速度和角躍度。采用蒙特卡洛隨機(jī)采樣法分析機(jī)器人的工作空間，得到機(jī)器人工作空間的立體圖以及XOY方向和XOZ方向的投影圖。采用拉格朗日方程法分別建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人的剛體動力學(xué)模型，通過動力學(xué)模型發(fā)現(xiàn)，作用于這兩種重載機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩是一個關(guān)于關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度以及關(guān)節(jié)角加速度的函數(shù)。根據(jù)動力學(xué)仿真結(jié)果比照分析可知，經(jīng)過構(gòu)造平衡設(shè)計的連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)力矩明顯小于典型雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人。(3)性能評估方面考慮機(jī)器人末端速度對關(guān)節(jié)速度的影響，將雅可比矩陣行列式與條件數(shù)作為重載工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)性能指標(biāo)。以重載工業(yè)機(jī)器人大能耗的特性為基礎(chǔ)，將功率、能耗指標(biāo)作為重載工業(yè)機(jī)器人的動力學(xué)性能指標(biāo)。從機(jī)器人承載能力的物理意義出發(fā)，提出一種能直觀顯示描繪敘述機(jī)器人各個關(guān)節(jié)在各個位姿下力矩大小的靜負(fù)載指標(biāo)，并將靜負(fù)載指標(biāo)用于評估重載工業(yè)機(jī)器人的承載能力。比照分析連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人的各項性能指標(biāo)，結(jié)果表示清楚在大多數(shù)位姿狀態(tài)下，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)性能要優(yōu)于典型雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人。在動力學(xué)性能方面，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的功率明顯小于雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人。在靜負(fù)載指標(biāo)方面，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人也要優(yōu)于雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人。(4)軌跡規(guī)劃方面對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題進(jìn)行數(shù)學(xué)描繪敘述，以機(jī)器人運(yùn)行經(jīng)過中消耗的總能量為目的函數(shù)，以運(yùn)行時間、電機(jī)轉(zhuǎn)速及電機(jī)輸出力為約束，同時考慮減少機(jī)器人末端殘存余留振動，保證運(yùn)行結(jié)束機(jī)會器人末端的加速度為零，將機(jī)器人軌跡規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為求解泛函極值的問題，運(yùn)用龍格庫塔方式方法與多重打靶法在全局范圍內(nèi)求取能耗最低的運(yùn)動軌跡。對能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃與七次多項式軌跡規(guī)劃的途徑與能耗進(jìn)行仿真并分析，結(jié)果表示清楚進(jìn)行能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃后機(jī)器人的總能耗明顯降低，并通過能耗曲線分析能耗降低的原因：進(jìn)行能耗最優(yōu)軌跡規(guī)劃后的能耗增加較為穩(wěn)定，而七次多項式軌跡能耗曲線即功率的變化波動較大。(5)虛擬樣機(jī)方面在SolidWorks軟件中分別建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人三維模型，將建好的模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，添加機(jī)器人各零部件機(jī)械配合關(guān)系相對應(yīng)的約束關(guān)系，進(jìn)而搭建連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。導(dǎo)入測試數(shù)據(jù)對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，包括運(yùn)動學(xué)仿真與動力學(xué)仿真。仿真結(jié)果驗證了前文連桿-絲杠傳動平衡式重載工業(yè)機(jī)器人與雙平行四邊形重載工業(yè)機(jī)器人理論模型的正確性。以下為參考文獻(xiàn).[1]YangKYangW,WangC.Inversedynamicanalymisandpositionerorevaluationoftheheavy-dutyindustrialrobotwithelasticjoints.anef.cientapproachbasedonLiegroup[].NonlinearDynamics,2021,93(4):1-18.[2]丁云鵬，朱學(xué)軍，陳晉生等重載搬運(yùn)機(jī)器人的動力學(xué)仿真及控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與研究2020,No185(1):48-53+58.[3]LiSC,QiuJX,ZhuJY.TheCounterbalancedesignofthearticulatedrobotarms[J].CIRPAnna1s-ManufacturingTechnologyx1990,39(1):455458.[4]ChinkjianGS.Designandanalymisofsomenonanthropomarphic,biologicallyinspiredrobots:Anoverview[J]JournalofRoboticSystems,2001,18(18)701-713.[5]桑秀鳳,陳筍,陳柏繩驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人繩索拉力及工作空間求解方式方法研究([].應(yīng)用科技2020,41(4):51-55.[6]StergardEH,KassowKBeckRDesignoftheATRON1tticebasedselfreconfigurablerobot[].AutonamousRobots,2006,21(2):165-183.[7]蔣新松.國外機(jī)器人的發(fā)展及我們的對策研究[J]機(jī)器人1987.1(1):58-64.[8]YouW,Minxin,etal.Controlsystemdesignforheavychutyindustialrobot[].IndustialRobot,2020,39(4:365-380.[9]游瑋,孔民秀.重載工業(yè)機(jī)器人控制關(guān)鍵技術(shù)綜述[I].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2020(5):13-19[10]KUKA.世界上最大的工業(yè)機(jī)器人KR1000Titan[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2007(05):10.[11]ABB(中國有限公司ABBIRB6660FX機(jī)器人[]自動化博覽,2020(5)8-8.[12]FANUC09.工業(yè)自動化展展出世界上最大的機(jī)器人M-2000iA/1200[].自動化信息,2018(10):87-87.[13]ABB(中國有限公司.ABB推出本土開發(fā)的全球最快碼垛機(jī)器人[J]高科技與產(chǎn)業(yè)化,20187):104-104.[14]Ananymous.Roboticsandmachine1erningFANUCroboticsintrocducesnewM.410iB/140Hhieh-speedpalletizingrobotatpackexpo2018[]Computern,NetwarksCommunicatians2018(2)87-88.[15]宋硯玉.M410i型高速堆垛機(jī)器人[]、航空精致細(xì)密制造技術(shù)，1995(4):3-3.[16]王金濤.從新松看工業(yè)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)[]互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì),2022(Z1):51-56.[17]孫維,張詠行,趙永杰,盧新建重載工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)在狀況[J]汕頭大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2020,35(01):3-15+2.[18]YeZ,FangG,ChenS，etal.Passivevisionbasedseamtrackingsystemforpulse-MAGwelding[J].TheIntenationalJournalofAdvancedManufacturingTechnology2020,67(9-12):1987-1996.[19]TheadgllPL,LeonardAJ,SherclifHRetal.Frictionsurweldingofalumninumalloys[].InternatianalMateialsReviews,2018,54(2):49-93.[20]NandanR,DebroyT,BhadeshiaHK.Recentadvancesinfiction-stirwelding-Process,weldnentstructureandproperties[].ProgressinMatenalsScience,2008,53(6):980-1023.[21]CookGE,CrawfordR,ClarkDE,etal.Roboticfricionstrwelding[].Industrial