重载工业机器人运动建模与节拍优化设计

摘要

随着高速重载机器人在汽车、冶金、物流等行业的广泛应用，自动化生产线对机器人的搬运速度、负载能力、加速度和定位精度提出了更高的要求。针对高速重载机器人的高速、高精度、大负载的工作特性，仅在运动学层面上进行分析和设计还不够，有必要根据动力学分析、静力学分析，对机器人本体进行重点面向动态特性的结构化研究。本文从高速重载码垛机器人的工作特性出发，通过配重设计、结构优化以及动力学分析，有效提升重载机器人的动态特性，并提出一种椭圆形轨迹优化方法，提升重载机器人的运动节拍并消除振动。 首先，根据工作条件，确定机器人的工作空间，从而对整机的机械结构进行预设计后，基于D-H参数法和拉格朗日方程对高速重载机器人进行运动学和动力学建模。由各部件的质量、阻尼以及惯量等因素，利用运动中消耗能量最小的原则将模型演化为线性矩阵不等式优化问题对其求解，来确定各部件的最优物理参数。基于动力学方程研究导致重载情形下机器人运动时的非线性和运动过程中的相互耦合问题，从动力学模型以及机构设计角度来找到消除这些问题的方法，利用该方法进行机构设计和部件重量设定，并完成对配重平衡机构的设计计算，通过仿真验证方法的正确性和有效性。 其次，对重载工业机器人控制系统规划设计，通过伺服反馈技术实时调节机器人关节的定位精度，通过笛卡尔空间与关节空间协同规划算法，保证运动过程中速度与加速度均保持连续，使得整机在高速重载条件下获得良好的动态特性。 最后，进行了多目标优化模型的求解和优化结果分析，通过分析运动过程中容易出现的振动问题，提出了一种椭圆轨迹规划方法，用于消除振动得到平滑高效的运动轨迹，根据实际需求选取了最优解。通过仿真分析和机器人实际运行验证了规划方法的有效性。优化结果分析表明，各项运动性能都得到了一定程度的提升.

目录

声明

1．1课题背景与研究意义

1．2国内外研究状况

1．2．1重载工业机器人国外研究现状

1．2．2高速重载机器人国内研究现状

1．3主要研究内容及研究重点

1．3．1本文主要研究内容

1．3．2本文研究重点

2．1引言

2．2系统整体方案与结构设计

2．2．1系统整体设计原则

2．2．2驱动方式与传动方案

2．2．3机器人技术参数与零部件

2．3机器人建模与运动学分析

2．3．1 D-H参数建模法

2．3．2机器人运动学方程

2．3．3机器人工作空间与参数确定

2．4本章小结

3．1引言

3．2重载机器人动力学分析

3．2．1机器人动力学

3．2．2基于动力学的设计参数优化

3．3重载机器人配重设计与优化

3．3．1机器人配重结构设计

3．3．2配重弹簧计算与选型

3．3．3仿真分析

3．4本章小结

4．1引言

4．2系统整体设计

4．2．1控制系统需求分析

4．2．2系统整体方案

4．3控制系统设计

4．3．1电机控制

4．3．2运动控制平台的搭建

4．4本章小结

第五章重载机器人节拍优化方法

5．1引言

5．2机器人轨迹规划的方法

5．2．1重载机器人节拍优化

5．2．2机器人的轨迹规划方法

5．3考虑笛卡尔空间和关节空间的轨迹规划方法

5．3．1笛卡尔空间与关节空间

5．3．2高速运动过程中的振动问题

5．3．3一种椭圆轨迹规划方法

5．4算法仿真与测试

5．5本章小结

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢