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1、重载工业机器人机构设计与性能保障,机械工程硕士论文摘 要 重载工业机器人能代替人工在高危恶劣的环境下进行重载作业，具有负载大、工作效率高、稳定性好等优势。针对于广泛应用的重载工业机器人而言，怎样保障工作性能是该领域的研究热门之一。本文以提高重载工业机器人的性能为目的，开展重载工业机器人概念设计、运动学与动力学分析、性能指标分析、轨迹规划等方面的研究，论文的主要工作内容与研究成果如下： 针对各个工程领域对高性能重载工业机器人的应用需求，考虑机器人本体自重、负载能力、构造刚度和工作空间等设计要求，以构造平衡设计、轻量化设计以及可重构设计为思路，对高性能重载工业机器人进行概念设计，提出一系列重载工业
2、机器人构型方案。以层次分析法为理论基础，从本体自重、负载能力、所占空间、机构刚度、受力性能及工作空间六方面对设计的构型方案进行分析和评价，分析遴选出最优方案连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人作为研究对象。 对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人进行运动学分析，采用 D-H 法建立机器人构造参数模型，求解机器人运动学正解和反解，分析各关节的角位移、角速度、角加速度和角跃度。采用蒙特卡洛随机采样法分析机器人的工作空间，得到机器人工作空间的立体图。在给定特定的运动轨迹与运动周期条件下对运动学模型进行计算仿真，验证机器人的运动趋势。 采用拉格朗日方程法分别对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与典型双平行
3、四边形重载工业机器人进行动力学建模，分析机器人各杆件的动能和势能，推导机器人系统刚体动力学方程中惯量矩阵、Coriolis 力和离心力矩阵以及重力项矩阵，求解各关节驱动力矩的表示出式。给定机器人构造参数对这两种构造机器人动力学进行计算仿真并比照分析仿真结果。 从运动学、动力学的角度考虑，提出各关节力矩、条件数、承载能力、功率和能耗等指标对连杆-丝杆传动平衡式重载工业机器人进行性能评估。以重载码垛任务为例对机器人进行基于能耗最优的轨迹规划，以机器人运行经过中消耗的总能量为目的函数，以运行时间、电机转速及电机输出力为约束，同时考虑减少机器人末端残存余留振动，保证运行结束机会器人末端的加速度为零，运
4、用龙格库塔方式方法与多重打靶法在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹并进行仿真分析。结果表示清楚进行能耗最优轨迹规划后机器人的总能耗明显降低。 分别将 Solid Works软件中建立的连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人三维模型导入 ADAMS软件中建立其虚拟样机模型，导入测试数据对两种重载工业机器人进行虚拟样机仿真，包括运动学仿真与动力学仿真。仿真结果与理论模型趋势一致，进而验证了理论模型的正确性。 本文关键词语 ： 重载工业机器人；概念设计；运动学；动力学；性能评估；轨迹规划。 ABSTRACT Heavy duty industrial robot can rep
5、lace manual work in high-risk and harshenvironment. It has the advantages of large load, high efficiency and good stability. For the widely used heavy duty industrial robot, how to guarantee the workingperformance is one of the research hotspots in this field. In order to improve theperformance of h
6、eavy-duty industrial robot, this paper studies the conceptual design,kinematics and dynamics analysis, performance index analysis and trajectory planningof heavy-duty industrial robot. The main contents and research results are as follows: According to the application requirements of high-performanc
7、e heavy-dutyindustrial robots in various engineering fields, considering the designrequirements of robot body weight, load capacity, structural stiffness andworkspace, the conceptual design of high-performance heavy-duty industrialrobot is carried out based on the idea of structural balance design,
8、lightweightdesign and reconfigurable design, and a series of configuration schemes ofheavy-duty industrial robot are proposed. Based on the analytic hierarchy process(AHP), this paper analyzes and evaluates the design scheme from six aspects: body weight, load capacity, occupied space, mechanism sti
9、ffness, mechanicalperformance and workspace, and selects the optimal scheme connecting rod leadscrew drive balanced heavy-duty industrial robot as the research object. Kinematics analysis of balanced heavy-duty industrial robot driven by connectingrod and lead screw is carried out. The D-H method is
10、 used to establish thestructure parameter model of the robot. The forward and inverse kinematicssolutions of the robot are solved, and the angular displacement, angular velocity,angular acceleration and angular jump of each joint are analyzed. Monte Carlorandom sampling method is used to analyze the
11、 workspace of the robot, and thestereogram of the workspace is obtained. The kinematics model is simulated in agiven trajectory and period to verify the movement trend of the robot. Lagrange equation method is used to model the dynamics of the balancedheavy-duty industrial robot driven by connecting
12、 rod and lead screw and thetypical double parallelogram heavy-duty industrial robot. The kinetic energy andpotential energy of each link of the robot are analyzed. The inertia matrix,Coriolis force, centrifugal force matrix and gravity term matrix in the rigid bodydynamics equation of the robot syst
13、em are derived, and the expressions of drivingtorque of each joint are solved. Given the structure parameters of the robot, thedynamics of the two kinds of structure robots are calculated and simulated, andthe simulation results are compared and analyzed. From the perspective of kinematics and dynam
14、ics, the joint torque, conditionnumber, carrying capacity, power and energy consumption are proposed toevaluate the performance of the link screw drive heavy-duty industrial robot. Taking the heavy load palletizing task as an example, the trajectory planning of the robot based on the optimal energy
15、consumption is carried out. The totalenergy consumed during the operation of the robot is taken as the objectivefunction, and the running time, motor speed and motor output force are taken asconstraints. At the same time, the residual vibration at the end of the robot isconsidered to reduce to ensur
16、e that the acceleration at the end of the operation iszero, The Runge Kutta method and multiple shooting method are used to obtainthe lowest energy consumption trajectory in the global range, and the simulationanalysis is carried out. The results show that the total energy consumption of therobot is
17、 significantly reduced after energy consumption optimal trajectoryplanning. The three-dimensional models of connecting rod lead screw drive balancedheavy-duty industrial robot and double parallelogram heavy-duty industrial robotestablished in Solid Works software are imported into ADAMS software toe
18、stablish their virtual prototype models. The test data are imported to simulate thevirtual prototype of the two heavy-duty industrial robots, including kinematicssimulation and dynamics simulation. The simulation results are basicallyconsistent with the trend of the theoretical model, which verifies
19、 the correctnessof the theoretical model. Keywords : Heavy duty industrial robot; Conceptual design; Kinematics; Dynamics;Performance evaluation; Trajectory planning。 文章为硕士论文，如需全文请点击底部下载全文链接】 1.2 国内外研究现在状况. 1.2.1 重载工业机器人发展大概情况. 1.2.2 重载工业机器人构造设计. 1.2.3重载工业机器人性能指标 1.2.4 重载工业机器人轨迹规划. 1.2.5 虚拟样机技术. 1.3
20、 课题主要研究内容. 第二章 重载工业机器人概念设计. 2.1 引言. 2.2重载工业机器人设计目 2.3概念设计. 2.3.1构造平衡设计. 2.3.2轻量化设计. 2.3.3 可重构设计. 2.4方案分析与评价. 2.4.1 评价方式方法. 2.4.2评价模型. 2.4.3评价结果. 2.5本章小结. 第三章 重载工业机器人运动学分析. 3.1 引言. 3.2机器人构造参数建模. 3.2.1刚体位姿描绘叙述方式方法. 3.2.2连杆参数和关节变量. 3.3重载工业机器人运动学正解. 3.3.1机构描绘叙述. 3.3.2运动学正解 3.4重载工业机器人运动学反解. 3.5工作空间分析 3.6
21、算例仿真. 3.7本章小结 第四章 重载工业机器 人动力学分析. 4.1引言. 4.2动力学分析方式方法简述. 4.3机器人刚体动力学模型. 4.3.1连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人动力学建模 4.3.2 双平行四边形重载工业机器人动力学建 4.4 动力学算例 4.5本章小结. 第五章 重载工业机器 人性能评估. 5.1引言. 5.2性能指标分析. 5.2.1运动学性能. 5.2.2动力学性能. 5.3算例仿 5.4本章小结. 第六章 重载工业机器 人能耗最优轨迹规划 6.1 引言. 6.2基于能耗最优轨迹规划的数学描绘叙述. 6.2.1问题描绘叙述 6.2.2能耗最优轨迹规划求解. 6.
22、3轨迹规划仿. 6.4本章小结. 第七章 重载工业机器 人虚拟样机仿真 7.1 引言 7.2重载工业机器人虚拟样机建 7.3虚拟样机仿 7.4本章小结. 第八章 全文总结 本文以提高重载工业机器人构造性能与操作性能为目的，首先从构造方面考虑机器人本体自重、负载能力、构造刚度和工作空间等设计要求，对重载工业机器人进行概念设计，包括构造平衡设计、轻量化设计和可重构设计，提出一系列高性能重载工业机器人构型方案并分析遴选出性能最优的设计方案作为本文研究对象。其次，对研究对象进行理论分析，包括运动学分析、动力学分析与性能指标分析等相关研究，根据重载工业机器人运动学与动力学模型，提出具有明显物理意义的性能
23、指标进行性能评估。然后，针对重载工业机器人能耗大的问题，对其进行基于能耗最优的轨迹规划。最后，通过搭建重载工业机器人的虚拟样机模型对理论进行验证。全文得到下面结论： (1)构型设计方面 针对各个工程应用领域对高性能重载工业机器人的需求，考虑机器人本体自重、负载能力、构造刚度和工作空间等设计要求，以构造平衡设计、轻量化设计以及可重构设计为思路，对高性能重载工业机器人进行构造设计。提出一系列重载工业机器人构型方案，并分析遴选出构造性能最优的构型。以层次分析法为理论基础，从本体自重、负载能力、所占空间、机构刚度、受力性能及工作空间六方面对设计的构型方案进行分析和评价，得到各个构型方案的最终评估值，分
24、析出构造平衡设计方案四(连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人)为高性能重载工业机器人的优选构造。 (2)理论建模方面 根据齐次变换法描绘叙述重载工业机器人的末端位姿，采用 D-H法建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人构造参数模型，求解机器人运动学正解和运动学反解，分析各关节的角位移、角速度、角加速度和角跃度。采用蒙特卡洛随机采样法分析机器人的工作空间，得到机器人工作空间的立体图以及XOY方向和XOZ方向的投影图。采用拉格朗日方程法分别建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人的刚体动力学模型，通过动力学模型发现，作用于这两种重载机器人各个关节的驱动力矩是一个关于关节角度
25、、关节角速度以及关节角加速度的函数。根据动力学仿真结果比照分析可知，经过构造平衡设计的连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人各关节力矩明显小于典型双平行四边形重载工业机器人。 (3)性能评估方面 考虑机器人末端速度对关节速度的影响，将雅可比矩阵行列式与条件数作为重载工业机器人的运动学性能指标。以重载工业机器人大能耗的特性为基础，将功率、能耗指标作为重载工业机器人的动力学性能指标。从机器人承载能力的物理意义出发，提出一种能直观显示描绘叙述机器人各个关节在各个位姿下力矩大小的静负载指标，并将静负载指标用于评估重载工业机器人的承载能力。比照分析连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人连杆-丝杠传动平衡式重载工
26、业机器人与双平行四边形重载工业机器人的各项性能指标，结果表示清楚在大多数位姿状态下，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人的运动学性能要优于典型双平行四边形重载工业机器人。在动力学性能方面，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人各关节的功率明显小于双平行四边形重载工业机器人。在静负载指标方面，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人也要优于双平行四边形重载工业机器人。 (4)轨迹规划方面 对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人能耗最优轨迹规划问题进行数学描绘叙述，以机器人运行经过中消耗的总能量为目的函数，以运行时间、电机转速及电机输出力为约束，同时考虑减少机器人末端残存余留振动，保证运行结束机会器人末端的加速
27、度为零，将机器人轨迹规划问题转化为求解泛函极值的问题，运用龙格库塔方式方法与多重打靶法在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹。对能耗最优轨迹规划与七次多项式轨迹规划的途径与能耗进行仿真并分析，结果表示清楚进行能耗最优轨迹规划后机器人的总能耗明显降低，并通过能耗曲线分析能耗降低的原因：进行能耗最优轨迹规划后的能耗增加较为稳定，而七次多项式轨迹能耗曲线即功率的变化波动较大。 (5)虚拟样机方面 在 Solid Works软件中分别建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人三维模型，将建好的模型导入ADAMS软件中，添加机器人各零部件机械配合关系相对应的约束关系，进而搭建连杆-丝
28、杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人的虚拟样机。导入测试数据对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人进行虚拟样机仿真，包括运动学仿真与动力学仿真。仿真结果验证了前文连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人理论模型的正确性。 以下为参考文献. 1 Yang K Yang W, Wang C. Inverse dynamic analymis and position eror evaluation of the heavy-duty industrial robot with elastic joints. an ef.ci ent
29、 approach based on Lie group.N onlinear Dynamics, 2021, 93(4):1 -18. 2 丁云鹏，朱学军，陈晋生等重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计J.机械设计与研究2020, No 185(1):48 -53+58. 3 LiSC, QiuJ X, ZhuJ Y. The C ounterbal ance de sign of the articul ated robot arm sJ. CIRP Anna1s-Manufacturing Technologyx 1990, 39(1):455 458. 4 Chinkjian G S
30、. Design and analymis of some nonanthropom arphic, bi ologically inspired robots: An overviewJ Journal of Robotic Systems, 2001, 18(18)701-713. 5桑秀凤,陈笋,陈柏绳驱动并联机器人绳索拉力及工作空间求解方式方法研究(.应用科技2020, 41(4):51 -55. 6 Stergard E H, Kassow K Beck R Design of the ATRON 1ttice based self reconfigur able robot . A
31、utonam ous Robots, 2006, 21(2): 165-183. 7蒋新松.国外机器人的发展及我们的对策研究J机器人1987.1(1):58 -64. 8 You W, Minxin, et al. Control system design for heavy chuty industial robot. Industial Robot, 2020, 39(4:365 -380. 9游玮, 孔民秀.重载工业机器人控制关键技术综述I.机器人技术与应用，2020(5):13-19 10 KUKA. 世界上最大的工业机器人KR1000TitanJ.机器人技术与应用, 2007(05
32、):10. 11 ABB(中 国有限公司ABB IRB 6660FX机器人自动化博览, 2020(5)8-8. 12FANUC09.工业自动化展展出世界上最大的机器人M-2000iA/1200.自动化信息,2018(10):87-87. 13 ABB(中 国有限公司. ABB推出本土开发的全球最快码垛机器人J高科技与产业化,20187):104-104. 14 Ananymous. Robotics and m achine 1erning FANUC robotics introcduces newM.41 0iB/1 40H hi eh-speed pall etizing robot a
33、t pack expo 2018 C omputern, N etwarks C ommunicatians 2018(2) 87-88. 15 宋砚玉. M410i型高速堆垛机器人、航空精致细密制造技术，1995(4):3-3. 16 王金涛.从新松看工业机器人关键技术互联网经济, 2022(Z1):51 -56. 17 孙维,张咏行,赵永杰,卢新建重载工业机器人研究现在状况J汕头大学学报(自然科学版), 2020, 35(01):3-15+2. 18 YeZ, FangG , ChenS，et al. P assive vision based seam tr acking system
34、for pul se -MAGw eldingJ. The Intenational Journal of Advanced M anufacturing Technology 2020,67(9 -12): 1987-1996. 19 Theadgll P L, Leonard A J, Sherclif H R et al. Friction sur welding of alumninum alloys. Internati anal Mateials Reviews, 2018, 54(2):49 -93. 20 Nandan R, Debroy T, Bhadeshia H K. R
35、ecent advances in fiction-stir w elding -Process,w eldn ent structure and pr operties. Progress in Maten als Science, 2008, 53(6): 980-1023. 21 CookG E, Crawford R, ClarkD E, et al. Robotic frici on str w elding. Industri al Robot:An International J ounal, 2004, 31(1):55-63. 22刘健.刚柔协作搅拌摩擦焊机器人机构设计与性能
36、研究硕士学位论文河北工程大学,2022. 23云杉搅拌摩擦焊_最具革命性的焊接新技术专访中国搅拌摩擦焊中心首席专家关桥院士,北京赛福斯特技术有限公司栾国红总经理.航空制造技术，2003(11):17-21. 24 ChingChih T The optimizati on accur acy control of a die -casing procduct patJ Journal of Materials Proces sing Techmologx 2000, 103(2):173-188 . 25 WangX D, LinJ H, YuS Q, et al. Casting mold
37、desigring for alumninum allay car holders. Appli ed Mechanics and Materials, 2020, 47(1):78 83. 26 Ronger J Pressure casting with robots . American C eramic Society Bulletin, 2000,79(1 2):62 -64. 27 Rooks B W Robots at the core of foundy autom ationJ. Industial Robot, 1996,23(6):15-18. 28 Pflug W, T
38、abatabaei E Coffee, Tea. or Molten Metal: autom atic pouring systems tackle a challenging taskJ. F oundry Managem ent Techmnology 2002. 29 Noda Y, Terashima K Suzuki M et al. Weight C ontrol of P ouning Liquid by Autom aticP ouring RobotJ. IFAC Proceedings Volumes 2018, 42(23): 185-190. 30 E dso L D. Materials handling robot: EP, EP0112891P 1986. 31 周士凯机器人下芯工艺在缸体造型线上的应用J. 当代铸铁，2020(03):74-78. 32江玉华，吴军,陈国东铝、镁合金重力铸造行业机器人代替人工进行浇注作业的可行性研究.铸造技术, 200801):1.