基于等效靜態(tài)載荷方法的高速輕載機器人結構優(yōu)化設計.pdf

1、機器人在高速運動時，將產生較大的慣性力，導致彈性部件的變形而影響執(zhí)行末端點的定位精度。因此，對機器人進行結構優(yōu)化設計，不僅能達到機器人的輕量化設計，而且能減少彈性部件之間的慣性沖擊、提高執(zhí)行末端點的定位精度。但由于高速輕載機器人的載荷主要由慣性力引起，而傳統結構優(yōu)化方法無法處理各構件慣性力互相耦合的特征。基于等效靜態(tài)載荷法(ESL)可將非線性柔性多體動力學分析與線性結構靜態(tài)優(yōu)化相結合，實現動態(tài)載荷下對結構部件的優(yōu)化設計，并可處理各構件之

2、間慣性力相互耦合的特征。本文以諾爾貝公司的一臺六自由度高速輕載焊接機器人為例，并運用該方法對機器人進行動態(tài)拓撲結構優(yōu)化設計，根據優(yōu)化結果得到了新的設計模型。本文研究的主要內容有:
　　首先，建立該機器人的D-H參數及運動學方程，同時推導出機器人運動學的正反解。并在虛擬樣機中(Adams)建立其剛體動力學模型，以“S”型曲線驅動機器人的末端點進行點位運動，用歸一化方法進行軌跡規(guī)劃來確定機器人的運動邊界條件。
　　然后，在分析軟

3、件HyperWorks的MotionView模塊中建立該機器人的剛柔耦合模型。通過剛體模型和剛柔耦和模型分析求解出的末端點位移曲線的對比，證明連桿部件的柔性變形對機器人的定位精度有一定影響。
　　最后，建立該機器人的柔性多體動力學模型的同時對其進行有限元分析，分析得到各桿件的應力的分布情況。并根據有限元的分析情況，確定好進行優(yōu)化設計的目標函數以及約束情況。之后運用等效靜態(tài)載荷法對機器人為進行動態(tài)結構優(yōu)化，實現機器人輕量化設計的同時

4、，使得機器人執(zhí)行末端點的定位精度更高。其中運用了兩種不同方式的結構拓撲優(yōu)化設進行對比:一種是對多個部件同時優(yōu)化;另一種是對多個部件單個優(yōu)化分析之后，再進行組裝分析。結果表明:這兩種不同的優(yōu)化方式不僅都能使機器人達到輕量化、提高執(zhí)行末端點的定位精度，而且還能使機器人優(yōu)化部件的全局應力有很大的降低。但是由于同時優(yōu)化考慮了在優(yōu)化過程中，優(yōu)化部件之間載荷變化的相互影響，導致其優(yōu)化的效果更佳。
　　本文在多學科綜合的基礎下，給出了一種結合動