高可达空间重载机械臂结构及液压系统的设计与节能优化研究
发布时间:2021-01-26 09:25
液压机械臂是抢险救援、重载搬运等重型移动/工业机器人最重要的作业机构。现有液压重载机械臂以工程机械、森林机械的工作臂为主,其机构自由度低,手部抓取结构庞大,导致机械臂的可达空间小、灵活性差,无法满足救援现场复杂任务需求。此外,传统液压机械臂多以实现作业功能为主,自身结构摩擦大且采用集中式控制的电液比例驱动系统,控制精度低、能耗大,无法满足抢险救援、大型工业制造等场合精细、高效作业的需求。针对这些问题,本文首先设计了一种高可达空间、高灵活性、高精度的重载机械臂,并搭建了7+1自由度、最大夹持负载500kg的重载液压机械臂样机试验平台,对各关节功能进行了试验测试,研究了高精度的七自由度冗余机械臂逆运动学解算方法。然后,针对现有液压机械臂节能方法局限于“止损”导致节能性不足的问题,本论文从降低负载能耗的新角度出发,充分利用冗余自由度机械臂自运动特性,提出从优化机械臂运动的角度出发实现冗余自由度液压机械臂的能量优化,利用动态规划算法对该优化问题进行了全局寻优,最后利用仿真验证了算法的节能效果。本文主要完成研究内容包括:1、基于抢险救援等场景对高可达空间、高灵活性、高精度的任务需求,对机械臂的总...
【文章来源】:华东交通大学江西省
【文章页数】:66 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
美国Schilling公
第一章绪论4摆线马达图1-3华中科技大学研制的水下机械臂Fig.1-3UnderwatermanipulatordevelopedbyHuazhongUniversityofscienceandtechnology(2)重载机械臂在救援机器人领域的发展日本为地震多发国家,因此针对救援机械的研发较早一些,并且获取诸多成果。如图1-4所示为日本德姆萨克公司研发的双臂救援机器人T-52和T-53,两款救援机器人两条作业臂均采用液压驱动,每只手臂长3770mm,单臂负载能力为100kg,包含6+1个自由度,整臂采用与工程机械类似的结构[21,24]。图1-4日本T-52型(左)和T-53型(右)双臂救援机器人Fig.1-4JapaneseT-52(left)andT-53(right)double-armrescuerobots救援机器人领域国内相关研究较少,目前正处于起步状态,与国外存在一定的差距。如图1-5为2014年江苏八达重工与浙江大学合作研制的一款重载双臂救援机器人,该机器人最大起重重量可达20吨,两条工作臂左侧为主臂,具备5个自由度,主要负责重载型作业,右侧为从臂,具备7个自由度,主要负责灵巧型作业[22]。该型救援机器人经过近年来不断的发展,已经形成覆盖20吨至60吨的一系列产品。2015年山东大学与鲁班机械科技有限公司合作,研发一款轻量化多功能双臂救援机器人,如图1-6所示。该救援机器人工作臂同样由一只主臂和一只从臂组成,两机械臂各有7个自由度,其中2个为左右回转自由度和5个为上下摆动自由度,最大作业半径3460mm,最大抓具力矩10kN·m,采用Q690高强度钢作为机械臂的制作材料,使机械臂自重控制在170kg左右[8,9]。
第一章绪论5图1-5江苏八达重工开发的重载双臂救援机器人Fig.1-5Heavy-dutydouble-armrescuerobotdevelopedbyJiangsuBadaCo.,Ltd图1-6鲁班机械科技开发的救援机器人Fig.1-6RescuerobotdevelopedbyLubanMachineryTechnologyCo.,Ltd以上救援机械臂双自由度手部结构多采用如图1-7所示的结构,主要由外置液压缸、回转驱动和液压马达构成。该结构简单、成本低、通用性好,但是依然存在以下问题:(1)外置马达和外置液压缸造成手部结构庞大,无法适用于狭小空间作业;(2)蜗轮蜗杆的大传动比造成回转转速偏低,影响作业效率;(3)液压马达用于高精度定位控制困难;(4)回转支撑存在较大的跳动公差。属具油缸回转驱动液压马达图1-7救援机械臂双自由度手部结构Fig.1-72-DOFhandstructureoftherescuemanipulator
【参考文献】:
期刊论文
[1]液压旋转接头的原理及应用[J]. 蔡晋钰,黄克坚,任菱. 现代制造技术与装备. 2017(12)
[2]角接触球轴承温升有限元分析[J]. 郭宝忠,王莉. 机械研究与应用. 2017(04)
[3]基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计[J]. 辛鹏飞,荣吉利,吴志培,项大林,杨永泰. 北京理工大学学报. 2017(08)
[4]随车吊机械臂运动学建模及逆运动学求解[J]. 任晓琳. 长春工业大学学报. 2016(05)
[5]地震救援双臂机器人结构设计与运动学分析[J]. 寇彦芸,万熠,赵修林,魏盼盼. 机械设计与制造. 2016(10)
[6]6自由度串联机器人D-H模型参数辨识及标定[J]. 张旭,郑泽龙,齐勇. 机器人. 2016(03)
[7]工业机器人精密减速器综述[J]. 黄兴,何文杰,符远翔. 机床与液压. 2015(13)
[8]基于蒙特卡罗方法的双臂机器人工作空间分析[J]. 周律,周昱明,汪亮,朱金龙. 机械传动. 2014(06)
[9]摆动液压缸的典型应用[J]. 李钢. 金属加工(冷加工). 2013(21)
[10]基于SolidWorks和ANSYS的抓木机动臂有限元分析[J]. 陈英凯,闵令强,仪垂良,宫学良,张翠英,刘学峰. 农业装备与车辆工程. 2013(01)
博士论文
[1]增程式电动汽车能量管理策略优化及增程器控制系统研究[D]. 席利贺.北京交通大学 2018
[2]救援机器人冗余液压机械臂运动学分析及轨迹跟踪控制方法研究[D]. 梁西昌.山东大学 2018
[3]大型直缝焊管三辊连续矫直工艺研究[D]. 王春鸽.燕山大学 2018
[4]拟人机器人手臂鲁棒非线性控制研究[D]. 马正祥.郑州大学 2016
[5]负载口独立电液比例方向阀控制系统关键技术研究[D]. 刘英杰.浙江大学 2011
硕士论文
[1]深海重型ROV双机械手设计与研究[D]. 杨明岩.东北石油大学 2018
[2]冗余自由度机械臂模块化关节设计及其运动规划方法研究[D]. 刘一鸣.苏州大学 2018
[3]可穿戴气动平衡搬运助力机器人研究[D]. 王营.大连理工大学 2016
[4]脂润滑角接触球轴承摩擦力矩的动态预测及热特性分析[D]. 高超.兰州理工大学 2016
[5]基于液压驱动的跳跃机器人关键技术研究[D]. 夏磊.东南大学 2015
[6]六自由度串联机械手逆解问题优化的研究[D]. 赵艳丽.华中科技大学 2015
[7]曲轴上下料重载机械臂设计及三工位轨迹规划研究[D]. 刘蕾.哈尔滨工业大学 2014
[8]基于异形断面盾构刀盘的模拟试验台的设计与研究[D]. 黄田忠.东北大学 2014
[9]双臂救援机器人液压系统设计与研究[D]. 范东.浙江大学 2014
[10]深海模拟环境液压作业机械手系统的研究[D]. 鲁凯义.华中科技大学 2013
本文编号:3000869
【文章来源】:华东交通大学江西省
【文章页数】:66 页
【学位级别】:硕士
【部分图文】:
美国Schilling公
第一章绪论4摆线马达图1-3华中科技大学研制的水下机械臂Fig.1-3UnderwatermanipulatordevelopedbyHuazhongUniversityofscienceandtechnology(2)重载机械臂在救援机器人领域的发展日本为地震多发国家,因此针对救援机械的研发较早一些,并且获取诸多成果。如图1-4所示为日本德姆萨克公司研发的双臂救援机器人T-52和T-53,两款救援机器人两条作业臂均采用液压驱动,每只手臂长3770mm,单臂负载能力为100kg,包含6+1个自由度,整臂采用与工程机械类似的结构[21,24]。图1-4日本T-52型(左)和T-53型(右)双臂救援机器人Fig.1-4JapaneseT-52(left)andT-53(right)double-armrescuerobots救援机器人领域国内相关研究较少,目前正处于起步状态,与国外存在一定的差距。如图1-5为2014年江苏八达重工与浙江大学合作研制的一款重载双臂救援机器人,该机器人最大起重重量可达20吨,两条工作臂左侧为主臂,具备5个自由度,主要负责重载型作业,右侧为从臂,具备7个自由度,主要负责灵巧型作业[22]。该型救援机器人经过近年来不断的发展,已经形成覆盖20吨至60吨的一系列产品。2015年山东大学与鲁班机械科技有限公司合作,研发一款轻量化多功能双臂救援机器人,如图1-6所示。该救援机器人工作臂同样由一只主臂和一只从臂组成,两机械臂各有7个自由度,其中2个为左右回转自由度和5个为上下摆动自由度,最大作业半径3460mm,最大抓具力矩10kN·m,采用Q690高强度钢作为机械臂的制作材料,使机械臂自重控制在170kg左右[8,9]。
第一章绪论5图1-5江苏八达重工开发的重载双臂救援机器人Fig.1-5Heavy-dutydouble-armrescuerobotdevelopedbyJiangsuBadaCo.,Ltd图1-6鲁班机械科技开发的救援机器人Fig.1-6RescuerobotdevelopedbyLubanMachineryTechnologyCo.,Ltd以上救援机械臂双自由度手部结构多采用如图1-7所示的结构,主要由外置液压缸、回转驱动和液压马达构成。该结构简单、成本低、通用性好,但是依然存在以下问题:(1)外置马达和外置液压缸造成手部结构庞大,无法适用于狭小空间作业;(2)蜗轮蜗杆的大传动比造成回转转速偏低,影响作业效率;(3)液压马达用于高精度定位控制困难;(4)回转支撑存在较大的跳动公差。属具油缸回转驱动液压马达图1-7救援机械臂双自由度手部结构Fig.1-72-DOFhandstructureoftherescuemanipulator
【参考文献】:
期刊论文
[1]液压旋转接头的原理及应用[J]. 蔡晋钰,黄克坚,任菱. 现代制造技术与装备. 2017(12)
[2]角接触球轴承温升有限元分析[J]. 郭宝忠,王莉. 机械研究与应用. 2017(04)
[3]基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计[J]. 辛鹏飞,荣吉利,吴志培,项大林,杨永泰. 北京理工大学学报. 2017(08)
[4]随车吊机械臂运动学建模及逆运动学求解[J]. 任晓琳. 长春工业大学学报. 2016(05)
[5]地震救援双臂机器人结构设计与运动学分析[J]. 寇彦芸,万熠,赵修林,魏盼盼. 机械设计与制造. 2016(10)
[6]6自由度串联机器人D-H模型参数辨识及标定[J]. 张旭,郑泽龙,齐勇. 机器人. 2016(03)
[7]工业机器人精密减速器综述[J]. 黄兴,何文杰,符远翔. 机床与液压. 2015(13)
[8]基于蒙特卡罗方法的双臂机器人工作空间分析[J]. 周律,周昱明,汪亮,朱金龙. 机械传动. 2014(06)
[9]摆动液压缸的典型应用[J]. 李钢. 金属加工(冷加工). 2013(21)
[10]基于SolidWorks和ANSYS的抓木机动臂有限元分析[J]. 陈英凯,闵令强,仪垂良,宫学良,张翠英,刘学峰. 农业装备与车辆工程. 2013(01)
博士论文
[1]增程式电动汽车能量管理策略优化及增程器控制系统研究[D]. 席利贺.北京交通大学 2018
[2]救援机器人冗余液压机械臂运动学分析及轨迹跟踪控制方法研究[D]. 梁西昌.山东大学 2018
[3]大型直缝焊管三辊连续矫直工艺研究[D]. 王春鸽.燕山大学 2018
[4]拟人机器人手臂鲁棒非线性控制研究[D]. 马正祥.郑州大学 2016
[5]负载口独立电液比例方向阀控制系统关键技术研究[D]. 刘英杰.浙江大学 2011
硕士论文
[1]深海重型ROV双机械手设计与研究[D]. 杨明岩.东北石油大学 2018
[2]冗余自由度机械臂模块化关节设计及其运动规划方法研究[D]. 刘一鸣.苏州大学 2018
[3]可穿戴气动平衡搬运助力机器人研究[D]. 王营.大连理工大学 2016
[4]脂润滑角接触球轴承摩擦力矩的动态预测及热特性分析[D]. 高超.兰州理工大学 2016
[5]基于液压驱动的跳跃机器人关键技术研究[D]. 夏磊.东南大学 2015
[6]六自由度串联机械手逆解问题优化的研究[D]. 赵艳丽.华中科技大学 2015
[7]曲轴上下料重载机械臂设计及三工位轨迹规划研究[D]. 刘蕾.哈尔滨工业大学 2014
[8]基于异形断面盾构刀盘的模拟试验台的设计与研究[D]. 黄田忠.东北大学 2014
[9]双臂救援机器人液压系统设计与研究[D]. 范东.浙江大学 2014
[10]深海模拟环境液压作业机械手系统的研究[D]. 鲁凯义.华中科技大学 2013
本文编号:3000869
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