三构态变胞码垛机器人机构的非线性动力学研究

摘要

变胞机构作为机构学的新领域，受到了国内外学者的广泛关注，而且在生活和生产中已经得到广泛的应用。变胞机构的动力学特别是非线性动力学的研究，对于变胞机构的推广具有很大的实用价值，因此对变胞机构进行非线性动力学的研究十分必要。　　本文以一种三构态变胞码垛机器人机构为研究对象，首先用邻接矩阵法对机构进行了拓扑分析，描述了机构的构态变换过程，针对机构的变胞特点，设计了一种电磁变胞装置，通过分析机构系统的运动学，得到了机构系统的约束条件。而后以梁单元为基础，在考虑构件弹性变形以及冲击激励的情况下，应用有限单元法建立了系统的非线性动力学模型。　　然后利用振型坐标变换法对机构系统的非线性动力学方程进行了解耦变换，采用多尺度法对动力学模型进行求解，再采用Newmark法求出机构系统的稳态解，通过对机构在受冲击力激励作用下的共振机理分析，得到了机构系统产生共振现象的条件，并在此基础上分析了系统的主共振和超谐共振问题。之后利用Matlab软件对机构系统进行了数值仿真分析，讨论了机构系统在有负载和无负载两种情况下的动态响应。并在Adams中对机构系统进行了几何仿真分析，讨论了不同频率的冲击力激励所引起的非线性共振现象，通过碰撞点横向位移在Matlab和Adams中的时域图和频域图的对比，验证了机构系统的解析模型的可信性。　　最后利用遗传算法对机构系统各杆件的截面参数进行了动态优化设计，得到了各杆件截面参数的最优解，减轻了系统的总重量，提高了系统的稳定性，系统的动态性能得到了改善。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 码垛机器人发展现状综述

1．3 变胞机构的研究综述

1．3．1 变胞机构的起源与发展

1．3．2 变胞机构的研究现状

1．4 研究变胞机构非线性动力学的意义

1．5 本文研究的意义及内容

2．1 引言

2．2 三构态变胞码垛机器人机构的工作原理

2．3 机构的拓扑分析

2．4 机构的构态转换方式

2．5 机构系统的运动分析

2．5．1 机构系统第一构态运动分析

2．5．2 机构系统第二构态运动分析

2．6 机构系统的工作空间

2．7 机构系统的约束条件

2．8 本章总结

3．1 引言

3．2 机构系统的梁单元运动微分方程式推导

3．2．1 机构系统梁单元的位移函数

3．2．2 机构系统梁单元的动能与质量矩阵

3．2．3 机构系统梁单元的变形能与刚度矩阵

3．2．4 梁单元的运动微分方程

3．3 机构系统的全构态非线性动力学建模

3．3．1 机构系统的质量矩阵和刚度矩阵

3．3．2 机构系统的全构态非线性动力学模型

3．4 机构系统的受力分析

3．4．1 机构系统构态变换时的冲击力

3．4．2 机构系统的自激惯性力

3．5 机构系统构态转换时的动力学模型

3．6 本章总结

第四章 三构态变胞码垛机器人机构的动力学模型解析

4．1 引言

4．2 多尺度法

4．3 机构系统动态方程的解耦变换

4．4 机构系统的动力学模型解析

4．4．1 机构系统非线性动力学方程的一次近似解

4．4．2 机构系统非线性动力学方程的稳态解

4．5 机构系统受冲击力作用下的共振机理分析

4．6 机构系统受冲击力作用下的非线性振动分析

4．6．1 主共振分析

4．6．2 超谐共振分析

4．7 本章总结

5．1 引言

5．2 机构的具体参数

5．3 数值仿真结果与分析

5．4 机构系统在Adams中的仿真分析

5．4．1 构件柔性化

5．4．2 柔性体模型的仿真

5．5 单自由度时的动态响应对比仿真

5．6 本章小结

6．1 引言

6．2 遗传算法

6．2．1 遗传算法的简介

6．2．2 遗传算法的具体步骤

6．2．3 遗传算法的数学模型求解步骤

6．3 遗传算法对机构系统的截面参数优化

6．4 机构系统的截面参数优化数值仿真

6．5 本章总结

7．1 研究工作总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及其他成果