本文關鍵詞：基于等效靜態(tài)載荷方法的高速輕載機器人結構優(yōu)化設計

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【摘要】：機器人在高速運動時,將產(chǎn)生較大的慣性力,導致彈性部件的變形而影響執(zhí)行末端點的定位精度。因此,對機器人進行結構優(yōu)化設計,不僅能達到機器人的輕量化設計,而且能減少彈性部件之間的慣性沖擊、提高執(zhí)行末端點的定位精度。但由于高速輕載機器人的載荷主要由慣性力引起,而傳統(tǒng)結構優(yōu)化方法無法處理各構件慣性力互相耦合的特征。基于等效靜態(tài)載荷法(ESL)可將非線性柔性多體動力學分析與線性結構靜態(tài)優(yōu)化相結合,實現(xiàn)動態(tài)載荷下對結構部件的優(yōu)化設計,并可處理各構件之間慣性力相互耦合的特征。本文以諾爾貝公司的一臺六自由度高速輕載焊接機器人為例,并運用該方法對機器人進行動態(tài)拓撲結構優(yōu)化設計,根據(jù)優(yōu)化結果得到了新的設計模型。本文研究的主要內(nèi)容有：首先,建立該機器人的D-H參數(shù)及運動學方程,同時推導出機器人運動學的正反解。并在虛擬樣機中(Adams)建立其剛體動力學模型,以“S”型曲線驅動機器人的末端點進行點位運動,用歸一化方法進行軌跡規(guī)劃來確定機器人的運動邊界條件。然后,在分析軟件Hyper Works的MotionView模塊中建立該機器人的剛柔耦合模型。通過剛體模型和剛柔耦和模型分析求解出的末端點位移曲線的對比,證明連桿部件的柔性變形對機器人的定位精度有一定影響。最后,建立該機器人的柔性多體動力學模型的同時對其進行有限元分析,分析得到各桿件的應力的分布情況。并根據(jù)有限元的分析情況,確定好進行優(yōu)化設計的目標函數(shù)以及約束情況。之后運用等效靜態(tài)載荷法對機器人為進行動態(tài)結構優(yōu)化,實現(xiàn)機器人輕量化設計的同時,使得機器人執(zhí)行末端點的定位精度更高。其中運用了兩種不同方式的結構拓撲優(yōu)化設進行對比：一種是對多個部件同時優(yōu)化；另一種是對多個部件單個優(yōu)化分析之后,再進行組裝分析。結果表明：這兩種不同的優(yōu)化方式不僅都能使機器人達到輕量化、提高執(zhí)行末端點的定位精度,而且還能使機器人優(yōu)化部件的全局應力有很大的降低。但是由于同時優(yōu)化考慮了在優(yōu)化過程中,優(yōu)化部件之間載荷變化的相互影響,導致其優(yōu)化的效果更佳。本文在多學科綜合的基礎下,給出了一種結合動態(tài)特性響應的結構優(yōu)化方法,即等效靜態(tài)載荷法,并將其應用于機器人的優(yōu)化設計中。與傳統(tǒng)的靜態(tài)響應優(yōu)化相比：方面運用等效靜態(tài)載荷法不僅可以減少優(yōu)化結果對設計者經(jīng)驗的依賴程度,使得優(yōu)化的結果在整個的工作過程中滿足性能的要求；另一方面可縮短機器人結構優(yōu)化設計時間,使產(chǎn)品的研發(fā)速度加快。
【學位授予單位】：廣東工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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