火箭大部件喷涂机器人结构优化与轨迹规划研究

摘要

航天运载火箭穿越大气层过程中需承受摩擦产生的高温，对火箭表面保护涂层提出了苛刻要求。目前运载火箭大部件喷涂主要以手工喷涂为主，喷涂效率低，质量不稳定，影响操作工人健康，为此航空航天制造业迫切需要专门用于运载火箭等大部件的喷涂机器人。本文以提高运载火箭整流罩的表面喷涂质量和工作效率为目标，以一款自主设计制造的可伸缩喷涂机器人为研究对象，就喷涂机器人的结构优化和轨迹规划展开深入研究，全文主要研究内容如下： 根据该自主设计的喷涂机器人的三维模型，分析其结构和工作原理得到了它的运动学模型，并将其简化为一个五自由度串联机构。通过对机器人齐次变换矩阵的研究，得出了该机构的的结构正逆解。 通过机器人Jacobian矩阵的构造原理，本文提出了一种判断自由度少于6的串联机器人奇异点的方法，该方法能有效地找出机器人的奇异位形。通过对Jacobian矩阵的奇异值分解的分析，得到了一种Hessian矩阵奇异值分解的计算方法，该算法能将Hessian矩阵转换为一系列奇异值和三个二维矩阵，比一般的割裂三维矩阵的算法相比，大大提高了算法精确性。通过机器人的Jacobian矩阵和Hessian矩阵条件数的分析，得到了机器人的全域运动性能指标，根据该指标对机器人的结构作了优化。 根据运载火箭大部件喷涂要求，以及空气喷枪工作原理和喷涂特点，选择椭圆双模型作为喷枪的涂料沉积数学模型，通过仿真和试验确定数学模型关键参数。通过喷枪单条轨迹、多条轨迹重叠的涂料厚度研究，对机器人末端喷枪运动的最佳速度和最佳轨迹间隔进行优化。在此基础出上生成了机器人喷枪的运动路径，通过使用一种样条曲线算法对运动轨迹进行了优化，并且通过虚拟样机对机器人的喷涂进行了仿真。 最后开展实际机器人喷涂实验，通过对机器人运动过程中关节的转动速度、加速度和力矩数据进行采集分析，验证优化后机构运动学性能。

目录

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 喷涂机器人发展现状

1.2.2 机器人的性能评价及结构优化

1.2.3 机器人的轨迹规划研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 机器人的运动学分析

2.1 引言

2.2 机器人的结构简介

2.3 机器人的正运动学分析

2.4 机器人的逆运动学分析

2.5 本章小结

第三章 机器人的性能分析和结构优化

3.1 串联机构的Jacobian矩阵和奇异位形

3.1.1 Jacobian矩阵的计算

3.1.2 Jacobian矩阵与奇异点的关系

3.2 串联机构的性能指标

3.2.1 串联机构的条件数指标

3.2.2 串联机构的速度性能指标和加速度性能指标

3.2.3 机器人的Hessian矩阵条件数指标的算法

3.3 一种串联机器人的结构尺寸优化及仿真

3.4 本章小结

第四章 机器人喷枪轨迹规划

4.1 喷枪的工作原理

4.2 喷枪涂料沉积模型建立

4.2.1 涂料沉积数学模型

4.2.2 单条轨迹的涂料沉积模型

4.2.3 相邻轨迹下的涂料涂料沉积模型

4.2.4 自由曲面上的涂料沉积模型

4.3 喷枪的运动轨迹

4.3.1 机器人的轨迹编程技术

4.3.2 喷枪运动路径

4.4 机器人虚拟样机仿真

4.5 本章小结

第五章 机器人的运动性能实验

5.1 引言

5.2 机器人控制系统的搭建

5.2.1 机器人控制系统的总体规划

5.2.2 控制系统硬件结构

5.2.3 控制系统参数调节

5.3 机器人的运动实验

5.3.1 机器人的实验运动轨迹

5.3.2 机器人的控制及数据的采集

5.4 机器人关节运动数据分析

5.4.1 机器人关节运转速度

5.4.2 机器人关节运转加速度

5.4.3 机器人关节驱动力矩

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献