前后大臂偏置式七自由度工业机器人本体设计与仿真优化

发布时间：2016-06-23 08:22

在工业生产中，机器人需要具备足够的自由度才能执行并完成给定的任务。实际工作中，机器人至少需要具备6个自由度，方可让末端的执行器在空间中达到任意位置并做出任意姿态。针对某一特定的末端执行器位置与姿态，冗余自由度机器人因为有着叱特定工作任务空间维数更多的自由度，因此，一般情况下，冗余自由度机器人可做出无穷多组关节构型，这些构型均能满足给定的任务要求。在一些苛刻的实际工业生产中，既要使机器人能顺利地完成给定任务，又要符合特定的要求，比如减少奇异位姿的产生、避免关节运动超界、动力学性能优化、优化关节运动速度、实现机器人更好的吴活避障等。冗余机器人的冗余特性可满足上述要求。另外，通过变换机器人的关节构型，也可满足上述要求。在冗余自由度机器人中，七自由度工业机器人的冗余特性最具有代表性，一种典型的七自由度工业机器人基本结构如图1.1所示.

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第2章前后大臂偏置式七自由度机器人结狗与驱动设计

2.1引言

七自由度工业机器人是一种刚、柔精合的高端智能装备。机构型式设计的好坏，会对机器人的性能产生极大的影响，因此，机构选型设计非常重要。除了要考虑满足刚度、强度和可靠性的静态设计要求，七自由度工业机器人还要有灵活性好、准确性高、重复定位精度高、平稳性优等动态性能。连軒和旋转关节式运动副组成的坐标形式是七自由度工业机器人结构设计主要考虑问题。为此，本文提出的机构设计原则如下：（1）工作空间范围大。由于各种实际工作的需要，七自由度王业机器人工作空间越大越好，机器人因此可非常灵活地到达工作所需要的范围中的任意位置并实现任意姿态，且工作空间越大，机器人的通用性也就越强。

2.2前后大臂偏置式七自由度工业机器人定义与特点

（1）本章开发了一种机构形式更为合理的前后大臂偏置式七自由度工业机器人结构，从而拓宽了其工作空间范围，提高了避障性，消除了部分奇异点。（2）本章提出了一种基于能量耗散来反求功率的机械结构及驱动系统设计方法，为后续研究奠定基础。（3）本章采用模块，依次求得了驱动各关节的所需功率，然后选定了合适的伺服电化及相应的谐波减速器与RV减速器。完成了驱动系统设计和关节部位的机械结构设计。最后，完成了前后大臂偏置式七自由度工业机器人的机械本体系统设计及其总成。

第3章偏置式七自由度机器人关键部位轻量化设计........26

3.1引言.........26
3.2关键零件的参数化建模、网格划分......26
3.3关键零件的静力分析......27
3.4关键零件的灵敏度分析与多目标优化设计......29
3.5偏置式七自由度工业机器人的静力分析与验证.....40
3.6本章小结.....42
第4章偏置式毛自由度工业机器人运动学分析.......44
4.1引言.......44
4.2偏置式七自由度工业机器人正运动学研究......45
4.3偏置式七自由度工业机器人逆运动学研究.......51
第5章偏置式七自由度工业化器人动力学分析.......60
5.1引言....60
5.2基于ADAMS的动力学仿真分析.....60
5.3偏置式七自由度工业机器人动力学优化分析.....67
5.4本章小结......70

第5章偏置式七自由度工业机器人动力学分析

5.1引言

七自由度工业机器人的动力学，主耍研究和分析作用于祝器人上的力和力矩。为了使机器人加速运动，驱动器必须提供足够的力矩来躯动机器人运动。通过建立机器人的动力学方程来确定力、质量、和加速度队及力矩、转动惯量和角加速度之间的关系，并计算出完成机器人特定运动时各驱动器所需的驱动力。通过机器人动力学分析，可以依据机器人的外部载荷计算出机器人的最大载荷，，进而为机器人选择合适的驱动器。自由度工业机器人动力学的分析和建横，主要依据拉格朗日为学和牛顿为学等方法进行分析。对于多自由度、三维质量分布的工业机器人来说，采用拉格朗曰力学方法可以建立结构完美的化器人动力学方程，但是由于计算困难，若不加简化，很难用于机器人的实际控制；采用牛顿力学方法可建立一组效率很高的递归方程，但限于其动力学方程结构，很难用于推导高缴控制方法。

5.2基于ADAMS的动力学仿真分析

在添加运动约束后，需要添加驱动以实现机器人的工作过程仿真。根据机器人的运动，由伺服电机经减速器驱动构件做旋转运动，在减逮器与构件的转动副上添加加逮度驱动以实现模型的运动仿真。根据表3.1所示各关节技术参数，可得各关节的额定角速度和达到额定角速度所需的加速时间如表5.3所示。
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第6章总结与展望

本文结合企业的实际研发霖求，对前后大臂偏置式七自由度工业机器运动性能仿真及其关键零部件优化设计技术迸行了研究。对前后大臂偏置式七自由度工业机器人的正、逆运动学进行了研究，完成了一种典型的前后大臂偏置式：旨由度工业抗器人的机械本体系统设计与驱动系统设计。对前、后大臂进行了多目标优化设计，完成了化器人整体的有限元静力学仿真分祈。对化器人进行了动力学性能研究，完成动力学优化与分析。本文研究的巧容及其创新点主要有：（1）提出一种前后大臂偏置：自由度工业机器人结构，通过政能量耗散来反求功率的方法，实现化械结构及驱动系统设计及总成。首先设计了一种较为典型的重物模型，接着通过Motion模块分析，求得了驱动各关节的所需功率，然后造定了合适的伺服电机及相应的谐波减速器与RV减速器，并设计了机械结构，最终完成了前后大臂偏畳式七自由度工业机器人的机械本体系统设计与驱动系统设计

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参考文献（略）

本文编号：60474