基于力矩密度曲线的机械臂轻量化设计方法研究

摘要

随着科学技术的进步和机器人技术的发展，机械臂在工业、农业、国防、重大科学研究、医疗、教育、娱乐和家庭服务等领域得到了广泛应用，正逐步改变着人类的生产和生活方式。从国家近年来出台的相关发展规划来看，轻型、安全、高效、节能始终是当前机械臂研究的热点。 在传统设计过程中，为了保证强度和刚度的要求，采用简化计算或系统模块集成的设计方法，使得机械臂的结构存在较大的冗余，导致了材料用量大、能耗高、负载/自重比低等问题，不符合轻型、安全、节能高效的设计理念。因此，研究机械臂的轻量化设计方法具有潜在的工程应用价值。 本文在综合分析国内外机械臂轻量化研究的基础上，针对轻量化过程中结构与动力统一设计的问题，提出了基于驱动力矩密度曲线的轻量化设计方法，然后通过理论建模、仿真计算和实验验证相结合的思路，完成对轻量化设计方法的具体实施和验证。具体研究内容如下： （1）建立一定工作条件下的机械臂数学模型。本文研究机械臂的轻量化问题，是在一定约束条件下的轻量化。为了能够定量地描述设计的机械臂，需要建立其相关的数学模型，包括运动学模型、有限元分析模型和动力学模型。分析机械臂的工作空间和运动特性，建立其运动学模型；评估机械臂的刚度和强度约束，建立其有限元分析模型；建立机械臂的动力学模型，计算出运动过程中各关节所需求的驱动力矩，为驱动系统设计提供理论依据。 （2）提出基于驱动力矩密度曲线的轻量化设计方法。文中提出了同一拓扑结构的驱动系统力矩与其质量的定量表达-“驱动力矩密度曲线”。针对结构和驱动系统的设计特点，通过选择合适的设计变量、约束条件和轻量化设计目标，提出结构与驱动系统统一设计的轻量化方法。以4自由度机械臂为设计案例，在给定初始设计数据的前提下，采用参考设计方法和本文设计方法进行比较，通过对优化结果的对比分析验证了本文设计方法的可行性和有效性。 （3）机械臂样机的试制与实验验证。基于轻量化后的结构和驱动系统参数完成对机械臂样机的试制，然后采用仿真模态与试验模态方法对机械臂的固有特性进行分析，验证了仿真计算模型的正确性。最后，通过对运动过程中末端执行器振动幅值和关节力矩的测量与分析，验证了本文设计方法的可靠性。

目录

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第1章 绪论

1.1 课题背景、研究目的及意义

1.2 国内外轻型机械臂的研究现状

1.3 机械臂的轻量化研究现状

1.4 课题来源和主要研究内容

第2章 机械臂的设计要求及总体设计方案

2.1 机械臂的设计要求

2.2 机械臂的总体设计方案

2.3 本章小结

第3章 机械臂的数学模型及驱动力矩密度曲线

3.1 机械臂的运动学

3.2 机械臂的有限元分析模型

3.3 机械臂的动力学

3.4 驱动力矩密度曲线

3.5 本章小结

第4章 机械臂的轻量化设计

4.1 机械臂的拓扑结构

4.2 轻量化问题描述

4.3 机械臂的有限元静态结构计算

4.4 机械臂的动力学计算

4.5 机械臂的优化算例

4.6 本章小结

第5章 轻型机械臂样机试制与实验

5.1 样机试制与控制系统搭建

5.2 机械臂的模态分析

5.3 机械臂的动态测试实验

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 本文不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果