学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

考虑关节柔性的重载工业机器人结构优化研究

作　者: 赵欣翔
导　师: 李瑞峰
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 重载工业机器人关节柔性振动性能指标多目标优化
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 8次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

当前，在冶金、汽车、物流码垛等众多行业中，重载工业机器人的应用越来越广泛。随着生产要求的提高和工作环境的复杂化，工业机器人必须具有更高的负载能力、更好的运动稳定性以及更佳的速度、加速度等性能。因此，需要根据相关性能指标对机器人进行结构优化。然而，以往在对工业机器人结构优化时将机器人的杆件和关节都认为是刚性的。但是，对于重载工业机器人来说，关节柔性十分明显。所以，在对重载工业机器人进行结构优化时必须考虑关节柔性特性的影响。本文主要研究在考虑关节柔性的影响下，对实验室自主研发的一款浇铸机器人进行结构优化设计，以提高机器人的振动性能指标和静刚度性能指标。首先在ADAMS中建立了纯刚体机器人仿真模型，采用添加虚拟物体、增加额外的转动副并定义力矩的方式表示出机器人的关节柔性特性；并和纯刚性关节机器人模型进行对比实验，验证了关节柔性对机器人运动性能的影响。建立了机器人的标准D-H坐标系，对机器人进行运动学分析，并推导出机器人的雅克比矩阵参数形式。其次，采用拉格朗日方法建立了含有关节柔性特性的机器人整体动力学方程，分别得到机器人的连杆动力学方程和电机动力学方程。并且推导得到连杆动力学方程中惯量矩阵的参数形式。根据多自由度系统的模态分析理论，推导出含有关节柔性的机器人系统振动方程。使用ADAMS/Vibration振动分析模块在频域内对机器人进行振动仿真分析，验证了机器人系统振动方程的正确性。然后，提出了衡量机器人振动特性的性能指标，并结合机器人的静刚度性能指标、速度综合性能指标建立了机器人的优化目标函数模型；通过对优化变量的灵敏度分析确定最终优化变量；考虑实际约束条件，建立完整的机器人结构优化数学函数模型。最后，通过对优化目标函数的耦合度分析，采用NSGA-Ⅱ多目标进化算法求解优化函数模型，分别对机器人大小臂的杆长参数和截面参数进行优化。然后对优化后的结果进行分析；根据目标函数的重要程度并考虑实际约束条件，确定最佳尺寸参数优化形式。通过仿真实验对比，验证了结构优化的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-16
  1.1 课题背景与研究的目的和意义  9-10
  1.2 国内外重载工业机器人概况  10-12
  1.3 工业机器人结构优化综述  12-14
    1.3.1 机器人的结构优化形式  12-13
    1.3.2 机器人的结构优化算法  13-14
  1.4 本文主要研究内容  14-16
第2章机器人建模和运动学分析  16-26
  2.1 引言  16
  2.2 建立机器人虚拟样机模型  16-20
    2.2.1 ADAMS 中建立机器人模型  16-17
    2.2.2 ADAMS 中关节柔性的表示  17-20
  2.3 机器人运动学分析  20-22
    2.3.1 建立机器人标准 D-H 坐标系  20-21
    2.3.2 机器人正运动学分析  21-22
  2.4 机器人工作空间分析  22-23
  2.5 机器人雅克比矩阵  23-25
  2.6 本章小结  25-26
第3章机器人动力学分析和振动模态分析  26-39
  3.1 引言  26
  3.2 机器人动力学模型的建立  26-32
    3.2.1 机器人柔性关节模型建立  26-27
    3.2.2 建立机器人动力学模型  27-32
  3.3 机器人振动模态分析  32-35
    3.3.1 模态分析原理  32-33
    3.3.2 含有柔性关节的机器人系统振动方程  33-35
  3.4 机器人振动频域仿真  35-38
    3.4.1 机器人自由振动分析  35-36
    3.4.2 机器人强迫振动分析  36-38
  3.5 本章小结  38-39
第4章机器人性能指标分析和优化函数模型  39-53
  4.1 引言  39
  4.2 机器人性能指标分析  39-43
    4.2.1 机器人振动性能指标  39-40
    4.2.2 机器人静刚度性能指标  40-41
    4.2.3 机器人速度综合性能指标  41-43
  4.3 机器人优化函数模型  43-47
    4.3.1 优化变量的选取  43-45
    4.3.2 约束函数的确定  45-46
    4.3.3 机器人优化函数模型的建立  46-47
  4.4 优化目标耦合性分析和优化变量灵敏度分析  47-52
  4.5 本章小结  52-53
第5章机器人结构优化模型求解与系统仿真验证  53-68
  5.1 引言  53
  5.2 优化算法的选择  53-56
    5.2.1 Pareto 最优理论  53-54
    5.2.2 NSGA-Ⅱ多目标进化算法  54-56
  5.3 基于 NSGA-Ⅱ的优化模型求解  56-59
    5.3.1 机器人大小臂杆长参数优化  56-57
    5.3.2 机器人大小臂截面参数优化  57-59
  5.4 优化结果分析  59-65
  5.5 系统仿真实验验证  65-66
  5.6 本章小结  66-68
结论  68-69
参考文献  69-72
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  72-74
致谢  74

考虑关节柔性的重载工业机器人结构优化研究

内容摘要

全文目录

相似论文