SCARA機(jī)器人多領(lǐng)域聯(lián)合仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.pdf

1、SCARA機(jī)器人是一種輕型工業(yè)機(jī)器人。因?yàn)樗哂羞\(yùn)動(dòng)速度快、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn),所以它在裝配領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。近年來我國電子產(chǎn)業(yè)的繁榮,帶動(dòng)了裝配產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,SCARA機(jī)器人也承擔(dān)了更多的裝配作業(yè)。因此對(duì)SCARA機(jī)器人進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有很高的學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
　　本文針對(duì)哈工大機(jī)器人研究所海爾實(shí)驗(yàn)室研制的一臺(tái)SCARA機(jī)器人進(jìn)行了多領(lǐng)域聯(lián)合仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。首先,對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,推導(dǎo)機(jī)器人的Jacobian矩陣

2、和Hessian矩陣,基于Lagrange方法建立機(jī)器人的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程。其次,確定優(yōu)化時(shí)的首要目標(biāo)是提高機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能。通過對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的分析,推導(dǎo)出了SCARA機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)、運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)和靜剛度性能指標(biāo)。以動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)為第一優(yōu)化目標(biāo),以運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)為第二優(yōu)化目標(biāo),以靜剛度性能指標(biāo)和工作空間為約束條件,以大臂和小臂的桿件參數(shù)為優(yōu)化變量建立了機(jī)器人的機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化模型。選用NSGA-II法對(duì)該多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解

3、。在Pareto解集中優(yōu)先選擇可以大幅提高機(jī)器人動(dòng)力學(xué)性能的解,同時(shí)還要考慮所選的解不能大幅削弱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)性能。將所選最優(yōu)解帶入機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行理論計(jì)算,證實(shí)了優(yōu)化后機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能得到了大幅提高,運(yùn)動(dòng)學(xué)性能得到了小幅提高,工作空間基本不變。
　　基于多領(lǐng)域仿真建模規(guī)范Modelica,在Mworks上建立了包含機(jī)構(gòu)系統(tǒng)組件、關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組件、軌跡規(guī)劃系統(tǒng)組件的SCARA機(jī)器人多領(lǐng)域聯(lián)合仿真模型,用于對(duì)優(yōu)化結(jié)果

4、進(jìn)行驗(yàn)證。多領(lǐng)域聯(lián)合仿真技術(shù)可以解決復(fù)雜系統(tǒng)仿真時(shí)產(chǎn)生的多領(lǐng)域耦合問題。應(yīng)用該方法可以建立一個(gè)包含機(jī)械、電氣、控制等子系統(tǒng)的復(fù)雜模型。這種建模方式非常適合于機(jī)器人系統(tǒng)的建模。
　　最后,在優(yōu)化前的SCARA機(jī)器人本體上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),在指定了各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角、最大轉(zhuǎn)速和最大角加速度的條件下,測得各軸電機(jī)的輸出數(shù)據(jù)。同時(shí)在SCARA機(jī)器人多領(lǐng)域聯(lián)合仿真模型上進(jìn)行了相同的實(shí)驗(yàn),通過兩次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。之后在仿真模型上對(duì)