基于等效靜態(tài)載荷方法的高速輕載機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、機(jī)器人在高速運(yùn)動時，將產(chǎn)生較大的慣性力，導(dǎo)致彈性部件的變形而影響執(zhí)行末端點(diǎn)的定位精度。因此，對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，不僅能達(dá)到機(jī)器人的輕量化設(shè)計，而且能減少彈性部件之間的慣性沖擊、提高執(zhí)行末端點(diǎn)的定位精度。但由于高速輕載機(jī)器人的載荷主要由慣性力引起，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法無法處理各構(gòu)件慣性力互相耦合的特征。基于等效靜態(tài)載荷法(ESL)可將非線性柔性多體動力學(xué)分析與線性結(jié)構(gòu)靜態(tài)優(yōu)化相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動態(tài)載荷下對結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計，并可處理各構(gòu)件之

2、間慣性力相互耦合的特征。本文以諾爾貝公司的一臺六自由度高速輕載焊接機(jī)器人為例，并運(yùn)用該方法對機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果得到了新的設(shè)計模型。本文研究的主要內(nèi)容有:
　　首先，建立該機(jī)器人的D-H參數(shù)及運(yùn)動學(xué)方程，同時推導(dǎo)出機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的正反解。并在虛擬樣機(jī)中(Adams)建立其剛體動力學(xué)模型，以“S”型曲線驅(qū)動機(jī)器人的末端點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)位運(yùn)動，用歸一化方法進(jìn)行軌跡規(guī)劃來確定機(jī)器人的運(yùn)動邊界條件。
　　然后，在分析軟

3、件HyperWorks的MotionView模塊中建立該機(jī)器人的剛?cè)狁詈夏Ｐ?。通過剛體模型和剛?cè)狁詈湍Ｐ头治銮蠼獬龅哪┒它c(diǎn)位移曲線的對比，證明連桿部件的柔性變形對機(jī)器人的定位精度有一定影響。
　　最后，建立該機(jī)器人的柔性多體動力學(xué)模型的同時對其進(jìn)行有限元分析，分析得到各桿件的應(yīng)力的分布情況。并根據(jù)有限元的分析情況，確定好進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)以及約束情況。之后運(yùn)用等效靜態(tài)載荷法對機(jī)器人為進(jìn)行動態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕量化設(shè)計的同時

4、，使得機(jī)器人執(zhí)行末端點(diǎn)的定位精度更高。其中運(yùn)用了兩種不同方式的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)進(jìn)行對比:一種是對多個部件同時優(yōu)化;另一種是對多個部件單個優(yōu)化分析之后，再進(jìn)行組裝分析。結(jié)果表明:這兩種不同的優(yōu)化方式不僅都能使機(jī)器人達(dá)到輕量化、提高執(zhí)行末端點(diǎn)的定位精度，而且還能使機(jī)器人優(yōu)化部件的全局應(yīng)力有很大的降低。但是由于同時優(yōu)化考慮了在優(yōu)化過程中，優(yōu)化部件之間載荷變化的相互影響，導(dǎo)致其優(yōu)化的效果更佳。
　　本文在多學(xué)科綜合的基礎(chǔ)下，給出了一種結(jié)合動