機(jī)器人彈性變形裝配力交互機(jī)理研究.pdf

1、機(jī)器人裝配操作過程是機(jī)器人學(xué)和現(xiàn)代生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。針對(duì)裝配操作研究的大多數(shù)的研究工作集中在剛性物體的操作規(guī)劃與控制策略的研究上。隨著對(duì)高效、精密機(jī)器人系統(tǒng)的需要及提高裝配成功率的要求，輕型、高速、高精度的裝配系統(tǒng)日益成為研究的主要方向，需要在操作系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析及規(guī)劃控制分析中考慮其柔順性及彈性變形特征。本文對(duì)彈性變形裝配進(jìn)行了初步的探討，主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．彈性變形裝配幾何、力學(xué)分析。首先，建立彈性系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，并在

2、所建坐標(biāo)系下對(duì)彈性裝配對(duì)象的幾何特性、幾何約束關(guān)系進(jìn)行描述；其次，在有限元方法基礎(chǔ)上對(duì)彈性裝配體的變形場(chǎng)進(jìn)行分析，建立彈性裝配體的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型。 2．接觸彈性變形動(dòng)力學(xué)建模分析。主要描述了在接觸約束力作用下接觸彈性變形幾何和力學(xué)行為，建立了在小變形基礎(chǔ)上的裝配接觸約束動(dòng)力學(xué)模型。在動(dòng)力學(xué)模型中分析了接觸幾何約束和相應(yīng)的接觸力以及摩擦條件和約束優(yōu)化等問題。 3．彈性軸插入孔的裝配動(dòng)力學(xué)建模分析。根據(jù)彈性軸的變形場(chǎng)描述

3、以及軸孔裝配過程軸存在的幾何、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力約束條件，建立裝配約束系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。由于變形存在非線性行為，導(dǎo)致系統(tǒng)的幾何分析及力學(xué)分析的復(fù)雜性增強(qiáng)，使求解困難，甚至無法求解，可以把彈性長(zhǎng)軸簡(jiǎn)化為梁進(jìn)行幾何、力學(xué)分析，并在假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，通過有限元方法的節(jié)點(diǎn)劃分，對(duì)彈性梁進(jìn)行幾何、力學(xué)分析，建立系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型。在軸孔裝配幾何、力學(xué)分析和一般約束動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立軸孔裝配的約束動(dòng)力學(xué)模型，并以具體的實(shí)例對(duì)軸孔裝配大變形情況下的

4、幾何、力學(xué)行為進(jìn)行了分析、驗(yàn)證，得出有效的裝配實(shí)施策略。 4．軸孔彈性變形裝配過程中卡阻、楔緊研究。在典型的剛性軸孔裝配的幾何及力學(xué)特性分析的基礎(chǔ)上，得出影響其成功裝配的主要條件，即卡阻和楔緊。根據(jù)剛性條件分析，在接觸變形約束動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)卡阻和楔緊狀態(tài)進(jìn)行了分析驗(yàn)證，得出狀態(tài)發(fā)生時(shí)的幾何、力學(xué)條件及其相互關(guān)系，解決了在彈性變形柔順模型的基礎(chǔ)上如何克服幾何及力學(xué)方面的不利因素，從而順利完成裝配任務(wù)。 5．彈性變形裝

5、配中抑制變形的主動(dòng)力控制策略。規(guī)劃策略是控制實(shí)施的前提和基礎(chǔ)。文中首先應(yīng)用中軸圖把裝配過程中裝配件和被裝配件之間的精確幾何關(guān)系用計(jì)算幾何的方式來描述，并賦予時(shí)變動(dòng)態(tài)特性對(duì)機(jī)器人復(fù)雜裝配過程進(jìn)行有效規(guī)劃，從而形成機(jī)器人對(duì)于裝配過程的形象思維知識(shí)，建立粗運(yùn)動(dòng)規(guī)劃策略；由于各種不確定性因素的存在，對(duì)基于力覺和力控制的精細(xì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行了研究，建立了維持接觸狀態(tài)的空間狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在粗、精運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)合的策略下，有效的提高了機(jī)器人裝配運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的實(shí)施效

6、率和成功率。在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)彈性變形裝配的慢、快速力控制模式，慢速控制系統(tǒng)可以借鑒前人的研究成果，針對(duì)系統(tǒng)中的剛性部分實(shí)施力控制，而快速控制系統(tǒng)在慢速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過施加擾動(dòng)來控制和減小系統(tǒng)由于彈性變形而引起的振動(dòng)不穩(wěn)定性以及位置和力偏差，從而形成一個(gè)完整的有效的力控系統(tǒng)。文中以軸孔裝配為例對(duì)復(fù)雜的T型軸插入C型孔的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制進(jìn)行了分析，并在彈性性梁理論研究模型的基礎(chǔ)上，對(duì)大變形的彈性軸孔裝配進(jìn)行了力控實(shí)驗(yàn)分析，