高速串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型需求，以工業(yè)機(jī)器人為代表的智能裝備發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，其對(duì)工業(yè)自動(dòng)化、智能化、以及勞工荒等問(wèn)題具有非常重要意義。產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的提高，對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和運(yùn)動(dòng)精度提出了更高的需求。為滿足機(jī)器人高速等性能要求，需要從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，不斷優(yōu)化機(jī)器人參數(shù)，使其具備良好的性能。本文結(jié)合國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“基于CAD/CAE技術(shù)融合工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)”，開(kāi)展高速度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)建模；基于運(yùn)動(dòng)學(xué)

2、和剛體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)對(duì)工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于連桿和關(guān)節(jié)柔性體動(dòng)力學(xué)模型對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；最后，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，試制六自由度高速串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果。
　　首先，本文依托現(xiàn)有六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型，根據(jù)DH法建立工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并推導(dǎo)出機(jī)器人末端位置、速度的解析表達(dá)式；根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)性能參數(shù)，提出了運(yùn)動(dòng)學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并將其作為機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。然后，根據(jù)Lagrange方程建立工業(yè)機(jī)器人剛體動(dòng)

3、力學(xué)模型，利用仿真軟件ADAMS對(duì)所推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行驗(yàn)證。以動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，提出剛體動(dòng)力學(xué)性能評(píng)價(jià)目標(biāo)，以連桿長(zhǎng)度和截面積等作為設(shè)計(jì)變量，將運(yùn)動(dòng)桿件的主慣量值、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩等動(dòng)力學(xué)指標(biāo)作為目標(biāo)函數(shù)，建立工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化模型。在設(shè)定的約束條件下，運(yùn)用NSGA-II完成了工業(yè)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)高性能工業(yè)機(jī)器人高速狀態(tài)連桿柔性與關(guān)節(jié)柔性表現(xiàn)明顯問(wèn)題，提出一種同時(shí)考慮連桿柔性和關(guān)節(jié)柔性的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

4、首先基于有限元方法中Bernoulli-Euler梁模型對(duì)機(jī)器人連桿進(jìn)行離散化，然后運(yùn)用Lagrange方程建立工業(yè)機(jī)器人的柔性動(dòng)力學(xué)模型，并以最大一階固有振動(dòng)頻率以及最大負(fù)載自重比為性能指標(biāo)，對(duì)建立的柔性體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用NSGA-II求解該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，獲得優(yōu)化目標(biāo)的Pareto解集。
　　在上述分析和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，確定了工業(yè)機(jī)器人的桿件長(zhǎng)度、截面等本體參數(shù)，完成了工業(yè)機(jī)器人電機(jī)、減速器等關(guān)鍵部件的選型，并試制工