基于等效静态载荷方法的高速轻载机器人结构优化设计

发布时间：2017-11-08 16:20

  本文关键词：基于等效静态载荷方法的高速轻载机器人结构优化设计

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【摘要】：机器人在高速运动时,将产生较大的惯性力,导致弹性部件的变形而影响执行末端点的定位精度。因此,对机器人进行结构优化设计,不仅能达到机器人的轻量化设计,而且能减少弹性部件之间的惯性冲击、提高执行末端点的定位精度。但由于高速轻载机器人的载荷主要由惯性力引起,而传统结构优化方法无法处理各构件惯性力互相耦合的特征。基于等效静态载荷法(ESL)可将非线性柔性多体动力学分析与线性结构静态优化相结合,实现动态载荷下对结构部件的优化设计,并可处理各构件之间惯性力相互耦合的特征。本文以诺尔贝公司的一台六自由度高速轻载焊接机器人为例,并运用该方法对机器人进行动态拓扑结构优化设计,根据优化结果得到了新的设计模型。本文研究的主要内容有：首先,建立该机器人的D-H参数及运动学方程,同时推导出机器人运动学的正反解。并在虚拟样机中(Adams)建立其刚体动力学模型,以“S”型曲线驱动机器人的末端点进行点位运动,用归一化方法进行轨迹规划来确定机器人的运动边界条件。然后,在分析软件Hyper Works的MotionView模块中建立该机器人的刚柔耦合模型。通过刚体模型和刚柔耦和模型分析求解出的末端点位移曲线的对比,证明连杆部件的柔性变形对机器人的定位精度有一定影响。最后,建立该机器人的柔性多体动力学模型的同时对其进行有限元分析,分析得到各杆件的应力的分布情况。并根据有限元的分析情况,确定好进行优化设计的目标函数以及约束情况。之后运用等效静态载荷法对机器人为进行动态结构优化,实现机器人轻量化设计的同时,使得机器人执行末端点的定位精度更高。其中运用了两种不同方式的结构拓扑优化设进行对比：一种是对多个部件同时优化；另一种是对多个部件单个优化分析之后,再进行组装分析。结果表明：这两种不同的优化方式不仅都能使机器人达到轻量化、提高执行末端点的定位精度,而且还能使机器人优化部件的全局应力有很大的降低。但是由于同时优化考虑了在优化过程中,优化部件之间载荷变化的相互影响,导致其优化的效果更佳。本文在多学科综合的基础下,给出了一种结合动态特性响应的结构优化方法,即等效静态载荷法,并将其应用于机器人的优化设计中。与传统的静态响应优化相比：方面运用等效静态载荷法不仅可以减少优化结果对设计者经验的依赖程度,使得优化的结果在整个的工作过程中满足性能的要求；另一方面可缩短机器人结构优化设计时间,使产品的研发速度加快。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：1157874