铝合金浇铸机器人的结构优化研究（可编辑）

铝合金浇铸机器人的结构优化研究（可编辑） 硕士 学 位 论文铝合金浇 铸 机器人 的 结 构优化研 究RESEARCH ON STRUCTURE OPTIMIZATION OF ALUNMINUM-ALLOY CASTING ROBOT 朱景忠 哈 尔 滨工 业 大学 2012 年 7 月 国内图书 分类号:TP242.2学校代码:10213 国际图书分类号 :681.5密级:公开 工 学 硕士 学 位论 文铝合金浇 铸 机器人 的 结 构优化研 究 (学术型) 硕士 研 究 生 : 朱景忠 导师 : 于殿勇 副教授 申 请 学位 : 工学 硕士 学科 : 机械电子 工程 所 在 单 位 : 机电工程 学院 答 辩 日 期 : 2012 年7 月 授 予 学 位 单 位 : 哈尔滨工 业大学 Classified Index: TP242.2 U.D.C: 681.5Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON STRUCTURE OPTIMIZATION OF ALUNMINUM-ALLOY CASTING ROBOT (Academic )Candidate : Jingzhong Zhu Supervisor : Associate Prof. Dianyong Yu Academic Degree Applied for : Master of Engineering Mechatronics Engineering Speciality : School of Mechatronics Engineering Affiliation : July, 2012 Date of Defence : Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology摘 要 摘 要 工 业 机 器 人 作 为 一 种 高效 的 自 动 化 生产 工 具 在 各 行 业 得 到 了 广泛 应用, 这也 促 使 着 人 们 对 机 器 人 进 行 更 深 入 的 探索 ; 近 年 , 中 国 汽 车 产 业 的 繁 荣 , 带 动 了 汽 摩 配 产 业 的 发 展 , 为 工 业 机 器 人 的 应 用 提 供 了 更 广 阔 的 舞 台 , 浇 铸 机 器 人 也 承担 了 更 多 的 现 场 作 业 , 对 浇 铸 机 器 人 进 行 分 析 和 优化研 究 具 有 积 极 的 经 济 、 学术价 值。 本文主要对一款 铝合金浇铸机器人进行了 结构优化研究。 首先, 利用 Pro/E 、 ADAMS 以及 Mech/Pro 接口建立了机器人的虚拟样机模型; 接着, 建立机器人 DH 坐标系,求取 了一、 二阶影响系数矩阵,推导 了机器人的 拉 格 朗 日 和 牛 顿? 欧拉 形 式 的 动 力 学 方 程 ;并 采用叠加法 对 机 器 人 的 工 作 空 间 进 行分析 得到了机器人 的工作空间。 然后, 分析浇铸 过程 , 得 到 机 器 人 性 能 要 求 。 推 导 出 了 机 器 人 静 刚 度 性 能指 标; 提 出了 速度/ 加速 度综合 性能 指 标 以及 表 征关节 力矩 ?末 端操 作 力的动 力学指 标, 并 利 用 平 面 二 自 由 度 串 联 机 器 人 机构 验 证 了 其 对 机 器 人 性 能 描 述 的可行性和 正确性。 再后, 以速 度/ 加速 度 综合性 能指 标为 目标 函 数,以 机器 人的 静刚 度 指标、动 力学指标的 导 出 式 以 及 甲 方 提 出 的 工 作 空 间 等 具 体 要 求 为 约 束 函 数 , 建 立 机 器 人 机 构 尺 寸 优 化 模 型 。 通 过 对 目 标 函 数 耦 合 性 的 分 析 , 结 合 优 化 模 型 的 非 线 性 和 不 可微性,选用 NSGA-II 法对优化模型进行求 解, 从 Pareto 解集中选择最佳的尺寸 组合, 通过理论计算 证明了优化后的机器人速度、加速度性能得到了改善。 根据 优 化 后 的 机 构 尺 寸 , 更 改 了 相 关 零 部 件 , 重 新 构 建 了 机 器 人 的 虚 拟 样机 模型, 通过 ANSYS 和 ADAMS 建立了刚柔耦合模型, 通过仿真获得了关键零部件 在最坏情况下载荷数据, 并在 ANSYS 中进行有限元分析校核, 确保 了更改后的机 器人 的 可靠 性。 同 时 , 对 机 器 人 加 装 浇 铸 器 后 的 平 衡 性 能 进 行 优 化 , 建 立 了 平 衡 缸弹簧参数优化模型 , 利用遗传算法进行求解, 得到了平衡效果更优的弹簧参数。 最后, 利 用 优 化 前 后 的 虚 拟 样 机 对 两 次 优 化 结 果 进 行 仿 真 验 证 。 让 优 化 前后 的 机 器 人 末 端 参 考 点 沿 着 工 作 空 间 中 同 一 轨 迹 运 行 , 结 果 发 现 各 关 节 角 速 度 、 角 加速度幅值有了不同程度的下降, 并且变化更加平缓, 验证了机构尺寸优化结果。 然 后 让 机 器 人 从 蜷 缩 姿 态 伸 展 到 最 大 臂展 姿 态 , 发 现 优 化 后 的 弹 簧 平 衡 力 矩 对 重 力矩的跟随性变得更好, 平衡性能得到了提高。 关键词 :铝合金浇铸机器人 ;性能指标;结构优化 ;多目标优化;虚拟样机 - I - Abstract Abstract As a kind of efficient and advanced automatical manufacturing tools,the industrual robots have been widely used in various fields,which has being stimulating people to act further research on robotics. In recent years, the booming development of Chinese automobile industrial provides a broader stage for the industrial robots,especially the casting-robots.Research on the casting-robot is of much positive financial and academic valueIn this paper, a structure optimization research on an aluminum-alloy-casting robot is presented.Firstly, a virtual 3D model was established in use of the Pro/E,ADAMS and the interface, Mech/Pro,between them.Then,the DH coordinate systems were made,and the Jacobian matrix and the Hessian matrix were calculated.The forward kinematics issue, the Lagrange and the Newton-Euler form of kinetic equation was also derived and the workspace was calculated and analizedAnalizing the casting process,the performance requirements of the robot was got and the static-stiffness index,the velocity/acceleration performance index and the dynamic index that described the performance of the transition from the joint torques to the operating force,were deduced.A two-linkage robot was used to verify the feasibility and correctness of these indices described aboveAn optimization model was built,taking the velocity/acceleration performance index as the objective function and the stiffness-index,dynamic-index and the workspace requirements as the constraint function.Because of the coupling characteristic,non-linear and non-differentia ability of the model,the NSGA-II was chosen to solve the optimization model.And finally,the result was calculated,and the improvement of the velocity/acceleration performance was proved by theoretical evaluatonAccording to the results,the mechanism parameters were modified and the virtual 3D model was reborn.The finite element analysis was done ,using the load-data got from the simulation of the rigid-flexible coupling model created with ADAMS and ANSYS,with the software ANSYS, to insure the reliability of optimized robot.An optimization model was built then solved in genetic algorithms,providing a set of optimized parameters of the balance spring,which made the balance performance of the robot more efficientFinally,the optimized results were tested and verified through simulations.Made the end-point traverse the same trajectory and found that the angle-velocity and acceleration changed more smoothly and imun value got lower,which verified the velocity and acceleration performance got better.Then, had the robot extended from the initial position and orientation to the one in which the robot arm had the largest arm exhibition- II - Abstract and need the balance spring torque.The simulation shew the balance performance of the spring was improved,providng that the optimization was successful Keywords: aluminum-alloy-casting robot, performance index,structure optimization, multi-object optimization, virtual prototyping system - III - 目 录 目 录 摘 要I ABSTRACT. II 第 1 章 绪 论1 1.1 课题来源、背景与研究意义. 1 1.1.1 课题来源. 1 1.1.2 课题研究背景与意义1 1.2 国内外铝合金浇铸机器人简介 2 1.2.1 当今工业机器人发展现状 2 1.2.2 国外浇铸机器人简介3 1.2.3 国内浇铸机器人简介4 1.3 机器人相关技术简介. 5 1.3.1 机器人的相关性能指标研究5 1.3.2 机器人的工作空间 6 1.3.3 机器人的结构优化简介. 7 1.3.4 机器人虚拟样机技术简介 8 1.4 课题主要研 究内容与目的8 第 2 章 WF160 铝合金浇铸机器人建模与分析. 10 2.1 机器人虚拟样机的建立. 10 2.2 机器人影响系数 矩阵 11 2.2.1 机器人的 DH 坐 标系. 11 2.2.2 一阶影响系数矩阵 ??雅克比矩阵 12 2.2.3 二阶影响系数矩阵 ??Hessian 矩阵. 14 2.3 机器人动力学模型分析. 15 2.4.1 牛顿- 欧拉方程动力学模型. 15 2.4.2 拉格朗日动 力学模型. 16 2.4 机器人工作空间分析17 2.5 本章小结. 20 第 3 章 铝合金浇铸机器人的性能指标研究 21 3.1 WF160 铝合金浇铸 机器人作业分析21 3.2 机器人刚度性能指标研究 22 3.2.1 讨论机器人刚度的必要性. 22 3.2.2 机器人刚度性能指标 22- IV - 目 录 3.3 机器人速度/ 加速度综合性能指标研究 24 3.3.1 速度/ 加速度全域性能指标 24 3.3.2 速度/ 加速度全域性能波动指标. 26 3.3.3 速度/ 加速度综合性能指标 27 3.4 机器人动力学性能指标研究28 3.4.1 力和力矩的传递性能分析28 3.4.2 机器人的动力学性能指标. 29 3.5 性能指标的验证. 29 3.5.1 速度综合性能指标验证29 3.5.2 动力学性能指标验证 33 3.6 本章小结. 34 第 4 章 机构尺寸优化模型的建立与求解. 36 4.1 优化模型的建立. 36 4.1.1 优化目标函数 36 4.1.2 优化变量36 4.1.3 优化约束条件 36 4.1.4 优化模型的建立 38 4.2 优化模型分析38 4.2.1 目标函数的耦合分析 38 4.2.2 优化算法的选择40 4.3 基于 NSGA-II 的优化 模型求解 40 4.4 优化结果的理论分析42 4.5 本章小结. 46 第 5 章 机器人关键部件 分析与系统仿真验证48 5.1 机器人关键部件有限元分析48 5.1.1 基于刚柔耦合模型的有限元分析方法48 5.1.2 零部件相关尺寸的确定49 5.1.3 相关零部件的有限元校核分析51 5.2 平衡器弹簧参数的优化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 53 5.3 系统仿真验证57 5.3.1 尺寸优化仿真验证. 57 5.3.2 平衡缸弹簧优化仿真验证. 61 5.4 本章小结. 63 结 论64- V - 目 录 参考文献. 65 附录 68 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果72 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授 权说明 73 致 谢75- VI - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 第 1 章 绪 论 1.1 课题来源、背景与 研究意义 1.1.1 课题来 源 本 课 题 来 源 于 实 验 室 与 一 国 内 知 名 汽 、 摩 配 件 厂 家 的 合 作 项 目 , 由 实 验 室为 其 设 计 一 铝 合 金 浇 铸 机 器 人 系 统 , 由 于 工 作 现 场 条 件 、 末 端 执 行 器 等 决 定 了 机 器 人的应 具有 较大 的工 作 范围、 较好 的速 度/ 加 速度性 能, 从而 对机 器 人的结 构尺寸 提出了新的要求,课题任务就是对该机器人进行结构优化研究。 1.1.2 课题研究 背景 与意义 该 工 业 机 器 人 系 统 的 主 要 功 能 是 进 行 铝 合 金 轮 毂 的 浇 铸 作 业 , 其 工 作 环 境恶 劣, 对机器人性能要求有别于通用的工业机器人, 但其本身和创造的市场价值高, 对铝合金轮毂产业具有积极影响。 (1)铝合金轮毂产业概述 中 国 的 汽 车 产 业 和 骑 行 代 步 工 具 的 稳 步 快 速 发 展 , 带 动 了 摩 配 、 汽 配 产 业链 的 兴 起 , 车 毂 的 制 造 生 产 成 为 了 众 多 汽 摩 配 件 业 中 的 投 资 热 点 ; 铝 合 金 的 优 异 特 [1] 性使 其在汽车制造业中得到了广泛使用 。 铝合金轮毂 将轻量化、 节能性、 安全性 、 [2] 观赏性 结为一体(图 1-1) ,正引领着汽车轮毂的新变革 。 图 1-1 铝合 金摩 托车 、汽 车轮毂 铝合金轮毂在国内和国际发展前景十分可观,目前 国内汽车生产厂家约有 50 多 家 , 而 从 事 摩 托 车 、 电 动 车 生 产 厂 家 更 是 上 百 家 , 每 年 汽 车 铝 合 金 轮 毂 的 需 求 量都保持在 25% 的增长率;同时,据 2010 年 资料, “„„全球轮毂 市场价值约 80 亿美元 (其中: 铝轮毂 约 45 亿美元, 钢制轮毂约 35 亿美元)„„预计 2020 年世 [3] 界铝轮毂需求量达到 3.21 亿只, 铝轮毂国际 市场前景广阔。 ” 铝合金 轮毂制造在 汽摩配行业中独树一帜,吸引众多企业参与其中。 (2)机器人浇铸作业的巨大 社会经济效益 国 内 应 用 普 遍 的 铝 合 金 轮 毂 生 产 方 式 是 低 压 铸 造 , 直 接 进 行 铝 液 浇 注 , 可以 - 1 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 [4] 得到轮廓清晰的铸件, 工艺简单, 成品率高, 投资少 。 传统浇 铸过 程中需要工人 现场操作 、 流 动 作 业 , 而且 现 场 环 境 恶 劣 , 产 品 质 量 依 赖 于 工 人 技 术 经 验 , 传 统 的人工浇 铸 作 业 急 需 变 革 。 而应用 工 业 机 器 人 进行 浇铸 , 能够 减少 单 件成本 , 提 高产品 性能 和 合 格 率 ; 将 工 人 从 恶 劣 的 生 产 环 境 中 解 放 出 来 , 创 造 更 高 的 市 场 价 [5] 值。 铝合金浇铸机器人 还能够节省劳动成本、提高产品质量、 降低社会成本 等 。 对 浇铸 机 器 人 进 行 开 发 或 改 进 , 既 可 以 促 进 机 器 人 在 铸 造 行 业 的 应 用 , 也能 促 进 机 器 人 技 术 的 发 展 ; 因此, 无 论 是 新 型 机 器 人 的 研 制 , 还 是 对 已 有机器人性 能的重新挖掘和结构优化,都具有积极 意义。 WF160 铝合金浇铸机器人 借鉴了 IRB6650S 型机器人的结构特征,但考虑铝 合金浇铸作业的特殊性,WF160 机器人也具有了自己的一些特点 :与市场所售的 同类型的机器人相比, 提出了 2.8 米的臂展要求, 由此引起的臂杆变化对浇铸机器 人 性能 产 生 的 影 响 , 是 优 化 时 不 得 不 考 虑 的 问 题 ; 同 时 , 厂 家 对 机 器 人 关 节 最 大 允 许 转 速 、 加 速 度 、 扭 矩 、 能 耗 等 也 提 出 了 要 求 , 为 了 机 器 人 能 够 在 上 述 方 面 性 能趋向最佳,有必要对机器人的结构进行优化。 1.2 国内外铝合金浇铸 机器人简介 1.2.1 当今工 业机器 人发展现 状 浇 铸 机 器 人 属于 工 业 机 器 人 的 范畴 , 工 业 机 器 人 作 为 一 种 典 型 的 高 技 术 生产 作 业 工 具 , 从 被 发 明 伊 始 ,就极大 地 推 动 了 人 类 社 会 的 发 展 。 工 业 机 器 人 的 性 能 与价格也 随 机 器 人 技 术 的 进步 ,更加 地适应 大 规 模 生 产 的 要 求 , 并 且 在 越 来 越 多 的领域得到应用 。 作 为 人 类 最 先 进 入 的 机 器 人 领 域 , 工 业 机 器 人 技 术 日 臻 成 熟 , 在 各 种 构 型的 工业机器人 当 中 , 以 关 节 坐 标 机 器 人 为 代 表 的 串 联 机 器 人 应 用 最 广 泛 ,其以灵活 性 、 通 用 性 迅 速 填 补 了 厂 家 需 求 。 而 超 过 五 成 的 工 业 机 器 人 正 在 汽 车 制 造 行 业 中 使用,当然 , 工 业 机 器 人 正 飞速地 应 用 到 工 业 生产 的各个 领域 , 铸 造 行 业 正 是 其 [6] 中之一 。 工 业 机 器 人 在 铸 造 领 域 的 应 用 , 极 大 的 促 进 了 铸 造 行 业 的 发 展 , 世 界 上 知名 的工业机器人公司, 例如 ABB 、FUNAC 、KUKA 等厂家也顺应生产 需要 推出了工 业 机 器 人 的 铸 造 专 家 版 , 相 比 较 于 通 用 型 的 工 业 机 器 人 , 铸 造 机 器 人 的 工作环境 (见图 1-2) 、工作空间、承载能力等 都具有 特殊性,在设计时需要加以 考虑。- 2 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 图 1-2 浇铸 机器 人恶 劣的 工作环 境 1.2.2 国外浇 铸机器 人简介 对 浇 铸 机 器 人 的 研 究 是 伴 随 着 工 业 机 器 人 的 兴 起 而 出 现 的 , 国 外 最 早 的 文献 出现在日本,早在 1977 年 ,日本研究人员就将浇铸机器人作为工业机器人发展 不 可 或 缺 的 一 个 领 域 。 当 时 日 本 铝 合 金 铸 造 厂 也 或 多 或 少 的 采 用 了 机 器 人 浇 铸 的 [7] 自动化改造 。 并且在 上世纪九十年代之前, 一些来自日本的技术人员就在西方拥 [8] 有了相当多的金属浇铸机器人专利 ,如图 1-3 所示。经过数十年 的发展与技术 积累, 浇 铸 机 器 人 技术 在 国 外 已 经 相 当 成 熟 , 继 而 向 提 高 准 确 性 、 高 效 率 、 高 稳 定 性 和 鲁 棒 性 发 展 ,而 在 工 业 机 器 人 的 产 业 化 道 路 上 也 产 生 了 一 些 知 名 的 机 器 人 生产厂家,他们不失时机地推出了一系列用于浇铸行业的工业机器人 。 ABB 推出的具有 IP 67 防护等级的 ABB FoundryPlus 机器人(图 1-4 )是 一种 主 要 适 用 于 铸 造 的 工 业 机 器 人 , 尤 其 是 轻 金 属 液 浇 铸 。 机 器 人 能 严 格 执 行 浇 注 程 序,以最优化的节拍 提高铸件品质,降低在 铸造环境中作业的危险性。ABB 公司 的 IRB 6620 、IRB 6650 等专业机器人 在铸造 精准性、完美性和安全性 方面都有较 好 的 表 现 , 其 质 量 水 平 、 浇铸 周 期 、 原料 低 耗 性 以 及 柔 顺 的 金 属 液 体 浇 铸 过 程 , [9] 得到了业内的普遍认可 。 图 1-3 1991 年美 国一 种浇 铸机器 人专利 1-4 ABB 浇铸 机器 人的 防护 严 格 的 防 护 措 施 使 浇 铸 机 器 人 能 在 各 种 严 格 环 境 下 工 作 , 下 图 展 示 了 一 款在 - 3 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 末端加装铝液浇铸器的轻合金浇铸机器人,值得一提的是,ABB 在 提供工业机器 人本体 之 外 , 还 将 技 术 支 持 延 伸 到 生 产 的 每 个 环 节 , 为厂家 提供 了 一 整 套 铸 造 自 动化的解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 (图 1-5) 。 图 1-5 ABB 的两 款镁/ 铝合 金浇铸 机器 人 ( 前者 用于 金属型 浇 铸 ,后 者用 于砂 型浇铸 ) 目前为止,生产工业机器人的其他知名厂家,例如 FUNAC 、KUKA 在铸造机 器 人 自 动 作 业 方 面 也 有 一 些 成 功 的 机 器 人 解决 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 ,均 是 机 器 人 与 大 型 压 铸 设 备 联 合 使 用 , 机 器 人 扮 演 浇铸、 取 铸 件 、 清 理 、 转 移 等 工 作 , 在 其 他 公 司 的 产 品 目 录里, 也有浇铸机器人 系统解决方案相关的内容 ,在此不予赘述。1.2.3 国内浇 铸机器 人简介 由 于 我 国 工 业 机 器 人 研 究 晚 于 西 方 发 达 国 家 , 加 以 国 外 机 器 人 企 业 的 冲 击, 造成我国 的 工 业 机 器 人 行业的 商 业 化 、 实 用 化 水平 不高 ; 即 便 有 一 批 发 展不错的 机器人企业 (例如沈阳新松、 博实等) , 但铸造机器人乃至工业机器人行业 发展势 [10] 头疲软,无论是市场占有额度还是技术水平 ,与国外相比 都处于劣势 。 对 于 国 内 一 些 铝 合 金 部 件 生 产 厂 家 来 说 , 若 要 在 铸 造 生 产 中 实 现 机 器 人 自动 化作业,只能与 ABB 、FUNAC 等公司签订 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 获得系统集成授权,或者购买对 方 的 行 业 解 决 方 案 , 无 论 那 两 种 方 式 都 要 付 出 巨 大 的 经 济 代 价 , 对 于 处在 汽车产 业 链 低 端 的 零 部 件 供 应 商 来 说 , 迫 切 需 要 一 种 国 产 的 浇 铸 机 器 人 系 统 。 目 前 , 国 内诸 厂家使用的工业机器人 ,逾 80% 来自国外 厂商,本土机器人仅有不到 20% 的 [11] 占有率 ,因此对自主知识产权的机器人的研究 亟待加强 。 近几年, 国 内 浇 铸 机 器 人 系 统 的 应用 研 究 , 也 出 现 了 一 些 成 果 , 其 中 浙 江万 丰奥特集团在铝合金轮毂生产中运用的浇铸机器人系统(图 1-6、图 1-7)就是其 中之一, 其采用 ABB IRB6650 型工业机器人, 手部安装有由上海发那科公司申请 [12] 专利的附加轴铝液浇铸器 。在浇铸机器人带给企业利润之前,企业就已经向授 权 公 司 支 付 了 高 额 的 系 统 集 成 费 用 。 这 为 国 内 研 制 适 用 于 浇 铸 环 境 的 工 业 机 器 人 - 4 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 提出了客观诉求。 图 1-6 浙江 万丰 奥特 铝合 金 图 1-7 上海 发那 科公 司申 请专利 的 浇铸 机器 人系 统 附加轴 铝液 浇铸 器 1.3 机器人相关技术简介 1.3.1 机器人 的相关 性能指标 研究 机器人的 工 作 空 间 特 性 、静力学 性能 、 运 动 学 性能 以及 动 力 学 性 能 是 研 究时 考虑的重点 , 其 中 的 每 一 项 都 与 机 器 人 的 位 形 紧 密 相 关 , 有 时 单 纯 考 虑 机 器 人 在 某 一 位 形 下 的 性 能 指 标 是 毫 无 意 义 的 , 因此 客 观 上 , 机 器 人 相关 指 标 就 被赋予了 全域 性 。 通 常 的 处 理 方 法 是 , 对 一 个 或 连 续 个 位 形 下 的 机 器 人 性 能 进 行 分 析 ,得 到与性能相关的要素, 然后再在整个工作空间内对机器人相关性能指标进行积分、 求均值等操作,从而得到描述机器人某 项全域性能指标。 在 六自 由 度 串 联 机 器 人 性 能 指 标 研 究 中 最 常 提 到 的 概 念 是 特 征 值 和 条 件 数。 机 器 人 实 际 上 可 看 作 是 一 特 殊 的 数 理 函 数 , 它 实 现 了 关 节 空 间 中 的 关 节 位 置 、 角 速 度 、 角 加 速 度 以 及 驱 动 力 向 笛 卡 尔 空 间 中 末 端 参 考 点 位 置 、 速 度 、 加 速 度 以 及 末 端 操 作 力 的 映 射 ; 具 体 来 说 , 机 器 人 的 结 构 尺 寸 形 成 特 定 的 矩 阵 函 数 , 将 关节 空 间 中 的 六 维 向 量 通 过 矩 阵 乘 法 变 换 为 另 一 向 量 。 而 机 器 人 本 身 的 性 能 就 可 以 从 这 些 矩 阵 中 有 所 体 现 , 矩 阵 的 特 征 值 与 特 征 向 量 作 为 描 述 矩 阵 变 换 中 变 换 的伸缩 倍 数 和 方 向 , 从 本 质 上 具 有 揭 示 映 射 函 数 本 身 性 质 的 能 力 , 也 就 是 反 映 了 机 器 人 的 性 能 。 在 诸 多 研 究 中 , 特 征 值 扮 演 了 比 特 征 向 量 更 加 重 要 的 角 色 , 这 是 因为在 决 定 矩 阵 映 射 性 质 的 能 力 不 相 上 下 的 前 提 下 , 求 解 矩 阵 的 特 征 值 要 更 简 单 ;通常 - 5 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 的,矩阵的条件数作为最大与最小特征值的比值也受到研究者的青睐 。 早期研究人员们 提出了工作角 (Vinogrador ,1971 ) 来描述机器人的操作灵活 [13] [14] 性 , 后来又提出了 灵 巧度工作空间 (Walton ,Kumar ,1981) 。 后来, 机器人 [15] 雅克比矩阵 矩 阵 条 件 数 的 概 念 出 现 在 了 机 器 人 手 指 的 设 计 过 程 中 (Salisbury , 1982 ) , 随即基于矩阵条件数的机器人性能指标得到了充分发掘。 紧接着, 可操 作 [16] 性 的 概 念 被 提 出 (Yoshikawa ,1985 ) , 基 于 此 , 机 器 人 操 作 性 条 件 数 (Yang , 1985 ) 、机器人灵巧度指标(Angeles ,1988) 、动力学条件指标(Angeles ,1992) 相继 被提出。 值得一 提的是, 全域性能指标在 1991 年被用来对机器人运动进行最 [17] [18] 优化设计 (Cosselin ,1991) 。操作力椭球(Manipulating Force Ellipsoid ) 和 [19,20] 动态操作力椭球(Dynamic Manipulating Ellipsoid ) 的概念也随之 出现,前者 主 要 描 述 的 是 关 节 力 向 末 端 操 作 力 的 静 态 传 输 性 能 , 后 者 则 用 来 描 述 机 器 人 在 末 端 参 考 点 最 大 加 速 度 下 的 机 器 人 手 臂 的 动 态 性 能 。 兼 容 性 指 标 则 用 来 进 行 特 定 工 [21] 况下机器人位姿的最优化设计 , 加 速 度 半 径作 为 工 作 空 间 中 末 端 操 作 器 加 速度 [22] 变动范围的上界也被视作机器人设计时的一个指标 。 各 种 各 样 的 机器 人 性 能指 标 被 提 出 , 来 描 述 机 器 人 动 态 或 者 静 态 性 能 , 尤 其 是 不 考 虑 负 载 时 的 机 器 人 的 相 关性能 ; 然 而 , 一 些 情 况 下 , 负 载 对 于 机 器 人 性 能 的 影 响 不 该 被 忽 略 , 比 如 在 机 器 人 末 端 操 作 器 质 量 、 惯 量 较 大 时 , 对 机 器 人 在 安 装 末 端 操 作 器 后 的 性 能 进行表 述 十分有利 于 机 器 人 的 设 计 与 优 化 。 现在 , 考 虑 末 端 负 载 的 性 能 指 标 研 究 正 引 起 [23] 国内外学者的注意 。在国内,基于机器人影响系数矩阵的速度与加速度性能指 [24] [25] 标 也 被 提出 ,经 全域化 处 理 后, 达到 了 比较好 的 效 果 。本 文 将在上 述 指 标 基 础之上, 进一步挖掘, 尝试建立描述 WF160 铝合金浇铸机器人性能的相关 指标。 1.3.2 机器人 的工作 空间 机器人的工作空间, 是指机器人手部参考点 (一般为手腕坐标系的原点) , 在 空 间 中 所 能 到 达 的 所 有 位 置 , 也即 在 空 间 中 所 占 据 的 体 积 。 它 是 机 器 人 学 中 的 一 [26] 个重要的研究领域,也是用来评价工业机器人 性能 的重要 指标 。 工作 空 间 反 映 了 工 业 机 器 人 的 工 作 能 力 , 其 空 间 大 小 与 边 界 约 束 条 件 , 是 机 器 人 设 计 和 优 化 的 [27] 重要 依据 。 机 器 人 的工 作 空 间 , 可 分 为 灵 活 工 作 空 间 和 次 工 作 空 间 , 前 者 是指 在 总 工 作 空 间 内 , 末 端 执 行 器 以 任 意 姿 态 达 到 的 点 , 所 构 成 的 空 间 , 后 者 是 指 , 在 总 工 作 空 间 内 , 末 端 执 行 器 只能 以 有 限 位 置 所 到 达 的 空 间 , 其 实 就 是 机器人 总 [28] 工作空间中除去灵活工作空间 后剩余 的那一部分 。由于机器人的最大工作空间 对 机 器 人 摆 放 位 置 和 与 环 境 的 干 涉 有 着 重 要 影响 , 通 常 都 是 以 最 大 工 作 空 间 作 为 [29] 机器人的分析指标 。确 定 机 器 人 工 作 空 间 有 两 种 方法 ?? 代数法 和 几 何 法 。 前 者 又 有 解 析 法 和数 值 法 之 分 , 解 析 法 依 赖 于 机 器 人 工 作 空 间 的 显 式 形 式 的 解 析 表 达 式 , 用 包 络 的 方 - 6 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 法 得 出 工 作 空 间 , 对 结构 确定 的 机 器 人 来 说 ,其 计 算 速 度 快 , 求解 精度 较 高,但 [30,31] 是方法的 通用性比较 差, 每对一新机器人进行计算必须重新 构建解析表达式 ; 数值计算 , 依 靠 计 算 机 强 大 的 计 算 能 力 , 通 过 求 解 机 器 人 工 作 空 间 边 界 上 的 特 殊 点 而 得 到 机 器 人 的 工 作 空 间 , 只 要 写 就 算 法 就 能 对 不 同 结 构 的 机 器 人 的工作空间 [32,33] 进 行 求 解 , 但 得 出 的 解 不 太 精 确 , 在 特 殊 情 况 下 , 解 的 可 靠 性 也 无 法 保 证 。 而 使用 几 何 法 确 定 机 器 人 的 工 作 空 间 , 得 到 的 往 往 是 工 作 空 间 的 各 类 削 截 线 , 直 观 性 较 强 , 便 于 和 计 算 机 结 合 来 显 示 在 可 达 点 操 作 机 的 构 形 特 征 , 但 也 受 到 机 器 人自由度的约束,对于自由度超过 4 的机器 人,就需要对其进行分组处理 。也有 人 采 用各 关节 定步 距角增 量 的方 法求 解机 器人的 工 作空 间, 但实 质上是 一 种采 取 了 [34] 预处理的 简化数值方法 ,与此类似,也出现了 分步求解机器人工作空间的分解 [35] 法 。 随 着 机 器 人 技 术的 发 展 , 关 于 工 作 空 间 求 解 的 方 法 也 日 臻 完 善 , 确 定 机器 人的工作空间,成为了研究机器人性能必不可少的环节。 1.3.3 机器人 的结构 优化 简介 机 器 人 结 构 优 化 设 计 , 脱 胎 于 工 程 优 化 设 计 ; 工 程 优 化 设 计 是 最 优 化 数 学理 论 在 生 产 实 际 中 的 应 用 , 它 借 助 现 代 计 算 方 法 , 从 一 系 列 受 约 束 的 可 行 解 中 寻 求 [36] 使某一目标最大或最小的参数组合( 最优解)的过程 。 随 着 最 优 化理 论 的 发展 以 及 机 器 人 领 域 的 迫 切 需 求 , 越 来 越 多 的 优 化 方 法 被 引 入 到 对 机 器 人 结 构 、 控 制 系统的优化设计中。 根 据 优 化 设 计 变 量 的 属 性 , 机 器 人 的 结 构 优 化 设 计 划分 为 三个 不 同 的 层 次, [37] 即尺寸优化、结构形状优化和拓扑优化 。 具体 说 来 , 尺寸优化 就 是 在保 持 结构 的 材 料 属 性 、 拓 扑 布 局 不 变 的 前 提 下 , 改 变 结 构 的 尺 寸 ( 譬 如 长 度 、 横 截 面 、 倾 [38,39] 斜角度等) ,使优化 目标最优 ;而形状优 化 中,结构的几何形状 则也成为优化 [40,41] 变量 , 也 即 连 续 体 边 界 形 状 的 几 何 参 数 是 可 以 改 变 的 ; 拓 扑 优 化 则 是 说 对 连 [42] 续体结构的布局进行优化 。显然,三种方法 的 复杂性和实现困难程度是逐渐递 增的 。 不 同 的 优 化 目 的 对 应 不 同 的 优 化 模 型 和 优 化 方 法 , 任 何 优 化 问 题 总 有 可 能涉 及 比 较 复 杂 的 领 域 , 也 总 能 描 述 为 线 性 或 非 线 性 、 连 续 或 非 连 续 设 计 参 数 的 数 学 [43] 规划问题 , 所以 只有明确 了 优化目的 、优化变量、约束条件,才能 选择 求 解的 方法 , 得 到 最 终 结 果 。 在 结 构 优 化 中 常 用 的 优 化 算 法 主 要 有 准 则 法 、 数 学 规 划 法 和 进 化 算 法 等 。 其 中 , 准 则 法 通 常 用 在 应 力 集 中 问 题 的 优 化 中 , 它 通 过 力 学 概 念 或 工 程 经 验 来 建 立 相 应 的 最 优 设 计 准 则 , 算 法 的 意 义 明 确 , 根 据 准 则 改 变 结构, [44] 很少甚至无需进行反复的计算 。 数学规划法则以其严谨的理论性 , 收 敛 的 可靠 性, 获 得 了 广 泛 应 用 , 尤 其 是 对 于 结 构 形 状 优 化 问 题 , 但 其 计 算 量 较 大 , 收 敛 速 [45,46] 度 会 随 优 化 模 型 的 规 模 变 大 而 变慢 ; 通 常 使 用 的 数 学 规 划 法 有 线 性 规 划 法 、 - 7 - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 二 次 规 划 法 、 罚 函 数 法 、 乘 子 法 等 。 进 化 算 法 是 类 比 达 尔 文 进 化 论 而 提 出 的 优 化 算法, 其 具 有 更 强 的 鲁 棒 性 , 不 需 要 函 数 的 梯 度 信 息 , 对 于 非 凸 和 非 连 续 的 目 标 函数,仍 能 有 效 处 理 , 但 是 优 化 变 量 比 较 多 的 工 程 应 用 问 题 会 让 算 法 收 敛 速 度 受 [47] 到一定影响 。 在 本 课 题 中 , 需 要 针 对 具 体 的 优 化 问 题 , 建 立 有 效 的 解 答 策 略 和 优 化 算 法, 在 选 择 或 确 定 遗 传 算 法 的 时 候 , 需 要 考 虑 算 法 的 收 敛 速 度 和 复 杂 程 度 , 对 于 目 标 函数和约束条件可能是非线性的和隐式函数的情况,优化算法的选择至关重要。 1.3.4 机器人 虚拟样 机 技术简介 虚 拟 样 机 技 术 在 机 器 人 领 域 的 使 用 由 来 已 久 , 从 最 原 始 的 利用 编 程 语 言 编写 动 力 学 运 动 学 仿 真 计 算 程 序 , 发展 到现在 众多 成 熟 的 仿 真 计 算 软 件 , 构建机器人 虚 拟 样 机 的 选 择 也 越 来 越 多 。 虚 拟 样 机 技 术 使 用 虚 拟 样 机 代 替 物 理 样 机 , 对 候 选 方 案 的 某 一 方 面 的 特 性 进 行 仿 真 测 试 和 评 估 , 它 可 以 提 供 可 视 化 的 虚 拟 环 境 , 在 [48] 生产之前对机器人进行仿真、分析, 发现潜在问题 并改进 。 ADAMS 是当前机械行业主流虚拟样机仿真软件, 在机器人领域得到了广泛的 使用, 使用者将 ADAMS 软件与 MATLAB/Simlink 、Nastran 、ANSYS 等专业软件 联 合 使 用 , 各 取 所 长 , 更 专 注 的 解 决 虚 拟 样 机 控 制 系 统 、 结 构 、 振 动 特 性 等 方 面 的 问 题 。 比 如 建 立 MATLAB-ADAMS 联 合 仿 真 系 统 对 机 器 人 控 制 系 统 进 行 仿 真 [49,50] , 利用 ANSYS 和 ADAMS 之间 的数据交换功能建立刚柔耦合模型分析机器人 [51] 臂杆柔性对其性能产生的影响等等 。 凭 借 对产 品 开 发 成 本 的 节 约 能 力 和 设 计前 期的纠错与优化功能,虚拟样机技术在机器人领域的使用将会更加广泛和深入。 1.4 课题主要研究内容 与目的 对 现 有 机 器 人 的 优 化 研 究 , 应 遵 循 两 个 原 则 , 其 一 机 器 人 的 性 能 必须 得到提 高; 其二, 从经济角度 来说, 对现有机器人结构的改动越小越好, 以便节省成本 。 以这两个原则为基础,本文所述的结构优化研究可从以下几个方面进行: (1)用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 DH 方法建立机器人坐标系,求出机器人一阶、二阶影响系数矩 阵, 并建立机器人虚拟 样机模型与相应的数学模型 (即动力学、 运动 学方程) ;并 对 机 器 人 工 作 空 间 进行 分析 , 即 确 定 浇 铸 机 器 人 的 最 大 工 作 空 间 ; 得到 机器人结 构参数与机器人 工作空间 之间的关系, 并以工作空间作为机器人优化的约束条件 。 (2)剖析 WF160 机 器人的相关性能,并 进一步得到相关性能指标 。从铝合 金 浇 铸 机 器 人 的 作 业 需 要