一种含柔性杆件的高速并联机器人优化设计方法研究

论文摘要

本文紧密结合提高高速并联抓取机器人动态精度的需要,以Diamond 600型2平动自由度并联机器人为对象,系统研究了考虑运动构件弹性的动力学建模及模型修正、试验方法、优化技术及性能评价等与动态设计相关的理论与方法。论文取得了如下创造性成果:基于KED精确分析方法建立了Diamond 600并联机器人的弹性动力学模型。通过对比机器人在不同位姿下的模态,分析了其作为时变机构的模态频率的变化规律,修正了前人得出该机构动态特性分布具有对称性的结论,并研究了机器人运行峰值加速度对模态频率的影响。以Diamond并联机器人动力学试验为例,提出了一种适用于研究时变机构的模态试验技术,通过对比两类模型(动平台模型和整机模型)的模态试验结果,从而准确判断出影响机器人操作精度的关键模态。在时变机构动态特性的模态试验研究中,运用该试验技术可以显著提高试验效率。在运用静态有限元技术修正并联机器人理论模型的单元参数时,建立了一种适用于多原则的参数修正模型,该模型具有效率高且通用性强的特点。同时利用动态修正技术,以试验模态模型为基准,修正了弹性动力学模型。对比试验结果表明,修正后的模型基本能够反映机器人的动力学特性,可以作为优化设计的基础。在不降低运行速度条件下,以提高操作精度为目标,提出一种组合递进的全局优化设计方法,借助遗传算法和经典优化算法,完成了Diamond 600并联机器人的动态设计。基于模态性质分析的全域均值,提出了一种衡量时变机构的动力学评价指标,通过对比优化前后机器人的动力学指标值,表明优化后机器人的动态特性得到很大改善。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究状况
• 1.2.1 柔性多体动力学建模方法
• 1.2.2 模型动态修改技术
• 1.2.3 动力学评价指标及优化技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 Diamond并联机器人弹性动力学建模
• 2.1 引言
• 2.2 Diamond机器人机构介绍
• 2.3 运动学及刚体动力学分析
• 2.4 弹性动力学模型
• 2.4.1 考虑弹性位移的速度分析
• 2.4.2 单元动力学模型
• 2.4.3 系统动力学模型
• 2.4.4 弹性动力学特性分析
• 2.5 弹性动力学模型的求解
• 2.6 小结
• 第三章 Diamond并联机器人动力学试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 模态试验
• 3.2.1 试验预分析
• 3.2.2 时变机构的动力学特性变化规律的试验研究
• 3.2.3 机构在典型位姿下的模态试验研究
• 3.2.4 对比分析
• 3.3 动态精度测定试验
• 3.4 小结
• 第四章 Diamond并联机器人动力学模型修正
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型的静态有限元修正
• 4.2.1 静态有限元修正模型
• 4.2.2 算例
• 4.3 理论模型的动态修改
• 4.3.1 理论模型及试验模型的模型缩聚
• 4.3.2 根据MAC准则修改模态模型
• 4.4 验证参数修正结果
• 4.4.1 固有频率变化规律的检验
• 4.4.2 动平台振动响应的检验
• 4.5 小结
• 第五章 Diamond并联机器人的优化设计
• 5.1 引言
• 5.2 制订优化策略
• 5.2.1 拟订优化目标
• 5.2.2 选择优化变量
• 5.2.3 约束条件及算法分析
• 5.2.4 优化模型
• 5.3 求解优化模型
• 5.3.1 利用遗传算法求解近似全局最优解
• 5.3.2 确定最终优化设计方案
• 5.3.3 优化设计结果
• 5.4 优化结果评价
• 5.4.1 动力学特性评价
• 5.4.2 优化前后模态对比
• 5.4.3 优化前后动应力对比
• 5.5 小结
• 第六章 全文结论
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读博士学位期间 参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢