基于动力学的HMD80型码垛机器人结构优化设计

摘要

随着制造业向高度自动化和智能化方向转型，用码垛机器人系统代替工人进行繁重的码垛作业任务已成为必然的发展趋势。而码垛任务高速、重载的特点让码垛机器人的动力学性能成为其设计阶段需要考虑的关键指标。因此对码垛机器人进行结构优化设计以提升其动力学性能，对于码垛机器人的设计研发具有很大的工程技术意义。
　　本文在对HMD80型码垛机器人进行动力学分析的基础上，通过对该型机器人的结构优化和平衡机构设计，力图减小机器人垂直和水平移动关节的全域驱动力峰值。
　　首先，在分析机器人串并混联特性的基础上，引入动态基坐标系的概念，并结合D-H参数法建立其运动学方程。经过解耦分析，建立了机器人各运动部件的坐标变换矩阵，并在此基础上，利用拉格朗日方法建立该型机器人的动力学数学模型。
　　其次，以机器人的垂直和水平移动关节全域驱动力峰值为性能评价指标，以机器人的速度指标、工作空间指标和强度指标等作为约束条件，对机器人平面运动机构的长度尺寸进行优化。建立了尺寸优化数学模型，并运用遗传算法对优化模型进行分析求解。
　　在上述尺寸优化的基础上，分析该型机器人的偏重力对垂直移动关节驱动力的影响，根据分析结果设计出平衡机构中弹簧的各项参数。并分析了加入弹簧平衡机构后垂直移动关节驱动力的削减幅度。
　　在对机器人进行静态刚度分析的基础上，对小臂侧板进行拓扑优化设计，以提升其刚度性能。并对优化前后的小臂侧板进行刚度分析和模态及振型分析，验证拓扑优化的可行性。
　　最后，利用原有样机，设计动力学实验，验证了本文中建立的动力学数学模型的正确性；利用ADAMS仿真实验对比，验证了平面运动机构尺寸优化设计的有效性；利用ADAMS仿真实验对比，验证了弹簧平衡机构对机器人垂直移动关节驱动力峰值的削减效果。

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第1章 绪论

1.1课题来源与研究意义

1.2国内外码垛机器人发展现状

1.3机器人结构优化设计国内外研究现状

1.4本文的主要研究内容

第2章 机器人系统建模与分析

2.1机构分析

2.2运动学数学建模

2.3虚拟样机的构建

2.4动力学数学建模

2.5本章小结

第3章 平面运动机构的尺寸优化设计

3.1目标函数的建立

3.2约束条件的设定

3.3基于遗传算法的优化模型求解

3.4优化结果分析

3.5本章小结

第4章 平衡机构的设计及小臂侧板的拓扑优化

4.1平衡机构的设计

4.2小臂侧板的拓扑优化

4.3本章小结

第5章 仿真与实验验证

5.1动力学数学模型正确性的验证

5.2平面机构尺寸优化设计有效性的验证

5.3弹簧平衡机构有效性的验证

5.4本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢