机器人手臂结构的力学特性分析及其优化概要.docx
- 文档编号:25667072
- 上传时间:2023-06-11
- 格式:DOCX
- 页数:14
- 大小:92.37KB
机器人手臂结构的力学特性分析及其优化概要.docx
《机器人手臂结构的力学特性分析及其优化概要.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《机器人手臂结构的力学特性分析及其优化概要.docx(14页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
机器人手臂结构的力学特性分析及其优化概要
JOURNALOFHEBEIUNIVERSITY
OFTECHNOLOGY
1999年第28卷第4期Vol.28No.41999
机器人手臂结构的力学特性分析及其优化
高宝霞马玉英彭商贤
摘要本研究采用高精度的数学分析方法,对机器人手臂进行动、静特性分析•在此基础上建立机器人手臂优化设计的目标函数.并采取迭代重分析次数最少、搜索最快、效率最高的优化方法,对机器人手臂进行最优设计•通过对典型手臂的设计计算、验证了该方法的正确性和实用性•其设计结果既提高了机器人手臂的刚度,又减轻了重量,达到了预期目的.
关键词机器人手臂,优化,单元,变形,应力
中图法分类号TP242.2
TheStudyoftheStmctmeontheRobotManipulate
GaoBaoxiaMaYuymgPengSliangxian
AbstractTliestmctuieoptimizationofthemanipulatoristoexploieoptmiunistnicRirepaiameteisunderaceitamconditionofstaticperfbimancelestramt.Ittakesaplentyoftimetocomputerepeatedlythestaticperfbimancefunctions.Forthispurpose,weputfbrwaidtlieoptimizationmethodwithseekingrapidly,i.e.theoptumzationcntenonmethod.Inaddition,wefoundtlieoptimalmatliematicalmodelofthemanipulator.Tlieexperunentshowsthatcalculationalresultsarecoincidentwithexperimentalresults,tlierigidityofnianipulatoiisincreased,andtheweightisreduced.
Theiefbie,thisstudyhasgreatengmeenngsignificance.KeywordsRobotmaiiipulatoi;OptimizationElement,Deformation,Stress
0引言
对于机器人手臂结构,现代化的设计工作已不再是凭直观经验,也不再是安全寿命可行设计,而是以电子计算机为工具,用精确度较高的数学分析方法(如有限元法等对机器人手臂的动、静特性进行分析计算,并从众多可行的设计方案中选择最优方案,即优化设计•本文所采取的优化设计方法在计算过程中迭代重分析次数最少,搜索最快,效率最高•计算结果与模型实验所得到的数据相吻合,优化后的机器人手臂既减轻了重量,又提高了刚度,达到了预期目的.
1机器人手臂结构的力学特性分析
1.1用有限元程序进行力学特性分析
机器人手臂结构的力学特性分析包括静力与动力分析两部分•静力分析包括:
手
臂各点的静应力与静位移、手臂的质心位置、重量、对给定点的惯性矩等•动力分析包括机器人手臂的各阶固有频率、振型、强迫动力响应等.用一个线性静、动力响应结构的有限元分析程序,求出下列问题:
1.1.1静力分析程序可根据输入信息,形成单元刚阵、总刚阵,输出节点位移和单元应力;并计算出输出构件的重量、质心位置和对于给定坐标系的转动惯量.
1.1.2求解特征方程用于求得结构固有频率和振型.
1.1.3历程响应分析求在随时间变化的载荷作用下,结构的位移响应和应力响应,也就是结构的瞬态变形和应力响应.
具体计算时我们选用SAP-5程序中的6类单元——板壳单元.机器人手臂的单元划分如下[4]
图1机器人手臂单元划分
1.2机器人手臂的有限元分析结果
1.2.1机器人手臂的静力分析结果
由图2可看出手臂的Z方向位移比Y方向大很多,因此机器人手臂的Z向刚度应大大加强•由图3得机器人手臂应力值最大点为1单元处,应力值为550(N/cm2,而铝合金的屈服极限为5000(N/cm2.两者之比为9.1远远大于许用安全系数•此外由图上可看出机器人手臂的26〜50单元的应力值远远大于326〜350单元的应力值•手臂在Y方向上为等强设计,而在Z方向上为非等强设计,因此机器人手臂的设计需要改进.
a)40608Q100I2QHO
X/cmi
6*08
0.07
O.«
0.05
0.04
0■他
AArt
图2机器人手臂沿X轴各点的静位移图
0.09
0.08
0.07
0.«
0・05
604
图3手臂典型单元的应力值图4机器人手臂一阶振型
河北工业大学学报990405
图5机器人手臂二阶振型
122机器人手臂的动力特性分析结果
机器人手臂的前五阶频率的计算结果如表1.
表1机器人手臂各阶频率
阶数频率值(Hz
135.5
238.00
3345.78
4415.99
5422.44
从以上结果可看出,机器人手臂的一、二阶固有频率是比较低的,这说明此手臂的刚度比较小•而且一阶振型的振动幅度比二阶振型的振动幅度要大,接近于2个数量级•因此机器人微振动主要是一阶振动频率的影响.
2机器人手臂结构的优化
2.1数学模型的建立
机器人手臂结构的优化,是在满足一定的弹性变形约束和结构尺寸的侧面约束条件下,找出结构的最佳值、使其重量最小[2]・
在图6中,A、B分别为机器人手臂小头端两边边长,H为机器人手臂整体梯形的高(即手臂长度Q为机器人手臂两侧面延伸部分长度.本机器人手臂四侧面中相对两面结构相同,其优化参数如下:
河北工业大学学报990405
图6机器人手臂结构参数
设计变量「图6中I、III面的斜率xl
(即图6中II、IV面的斜率x2(即.
性能约束函数「节点位移
边界尺寸约束函数:
目标函数「结构总体重量
以上式中各符号所代表的意义是:
■性能约束极限值
xL
1,XU1分别为xl变量边界尺寸约束的上、下限
xL2,xu
2分别为x2变量边界尺寸约束的上、下限.
H1,H2分别为机器人手臂I、III面与II、IV面梯形的高T1,T2分
别为机器人手臂整体梯形的板厚与两侧面延伸部分板厚-手臂材料密度
式(1中H1,H2分别为:
河北工业大学学报990405
2.2用优化准则法优化机器人手臂结构
根据Kulm-Tucker条件,机器人手臂结构的优化准则方程为[1,3]
在再设计迭代过程中,若设计点超出可行域、则采取沿性能约束函数v(x1的梯度方
向进行走步,使其进入可行域•性能修改公式为
2.3机器人手臂结构优化结果及分析
机器人手臂结构参数见表2,表中各符号表示的意义如图6所示.
表2机器人手臂结构参数cm
ABHDT1T29.29.8120330.61.8
表3机器人手臂材料性质参数
(kg/cni2E(kg/cm2
ALG(cni/s2
7.8x10-32x1060.30.7981file:
///E|/qk/'libgydxxb/libgy99/libgy9904/990405.1itni(第
6/8页2010-3-2221:
50:
38
万方数据
河北工业大学学报990405
表3中-材料的质量密度
E-材料的弹性模量
-材料的泊松比
AL-优化中引入的松弛变量
表4机器人手臂结构尺寸及性能约束值
xL1xu
1
xL
(nmiFEP
01010.150.1表4中各符号意义同前面.将表2、3、4中的数值代入优化程序中进行优化,得出以下结果.
表5机器人手臂结构优化结果
迭代次数变量x1值变量x2值机器人手臂静
变形值
机器人手臂结
构重量
说明
LITxlx2YR(nmiFX2(kg走步情况00.03430.0200-0.173734.7581初始值
10.02400.0140-0.191431.9104重量减轻20.025180.0221-0.176233.8915性能修改30.04500.1416-0.125935.5187性能修改40.031510.0991-0.082932.0429重量减轻50.02210.0694-0.088230.0098重量减轻最终结果0.02210.0694-0.088230.0098注:
表5中YR为负值是因为机器人手臂变形方向与坐标轴Z方向相反
经过以上有限元优化后得到的机器人手臂,在保证一定的变形精度下,在结构上缩小了梯形沿y方向的变化斜率(的值由0.0343减小到0.0221.而增大了沿z方向的变化斜率(的值由0.0200增加到0.0694,从而减弱了y方向的刚度,大大加强了z方向的刚度,这与静力分析结果所提出的机器人手臂结构的改进方案是一致的.
3结论
从以上研究可以看出,对机器人手臂的优化结果与力学特性分析结果完全吻合•从优化过程中(表5可看出总迭代次数只有5次、故调用有限元计算次数很少,大大减少了计算时间•从迭代过程看,重量减轻和性能修改两种走步交替进行,使设计点始终保持在可行域内进行优化,从而保证设计点的移动稳定地趋向最优点.其优化结果既提高了机器人手臂结构的刚度,又减轻了重量,达到了预期效果.
河北省教委博士基金资助课题
作者简介「(彭商贤天津大学
file7//E|/qk/libgydxxb/hbgy99/hbgy9904/990405.htm(第7/8页2010-3-2221:
50:
38
万方数据
河北工业大学学报990405
(高宝霞女,1963年生,讲师
作者单位「河北工业大学机械学院天津300130
参考文献
1VukoviatoivM.Computei-aideddesignofmanipulationrobotsviamulti-paiameteioptumzation.MechanismandMachuieiyTheory,1993,18(6:
2HouJW,ChenJL.ShapeoptimizationofASME,MARCH1985,100〜107
3RicliaidPPaul.Robotmanipulators:
Mathematics,PfogranuningandControl.Tlie
MITPressCambridgeMassachusettsandLondonEngland,1982
4管桦.机器人手臂的动、静特性研究:
[硕士论文]•天津:
天津大学,1988
收稿日期:
1999-02-20file:
///E|/qk/hbgydxxb/hbgy99/hbgy9904/990405.htm(第8/8页2010-3-2221:
50:
38
万方数据
机器人手臂结构的力学特性分析及其优化
作者【高宝霞,马玉英,彭商贤,GaoBaoxia,MaYuving,PengSliangxian作者单位:
高宝霞,马玉英,GaoBaoxia,MaYuying(河北工业大学,机械学院沃
津,300130,彭商贤,PengShangxian(天津大学
刊名「河北工业大学学报
英文刊名JOURNALOFHEBEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY年,卷
(期7999,28(4被引用次数
1.VukoviatoivMComputei-aideddesignofmanipulationrobotsviamulti-paiameteioptmuzation1993(062.HouJW.ClienJLShapeoptimizationofASME1985
3.RichaidPPaulRobotmanipulators:
Mathematics,PfogranuningandControl19824.管桦机器人手臂的动、静特性研究[学位论文]1988
1•学位论文张传思硅片传输机器人手臂的拓扑优化设计2007
硅片传输机器人是IC制造过程中的关键设备之一,负责半导体硅片在各个工序之间的传输与定位、其工作性能直接影响硅片的生产效率和制造质量。
硅片传输机器人手臂是机器人的核心,它的性能决定了机器人的位置精度。
针对硅片传输任务高稳定性、高可靠性的要求,对硅片传输机器人手臂进行优化设计,对硅片传输机器人的深入研究具有重要意义。
本文首先分析了国内外硅片传输机器人和结构拓扑优化设计的研究及发展现状,提出将结构拓扑优化方法应用于硅片传输机器人手臂的设计。
基于拓扑优化的基本原理、对连续体结构拓扑优化设计方法及优化求解数值算法进行了研究,探讨了拓扑优化中的数值不稳定现象及其解决方法,研究了滤波法相关公式。
其次,根据硅片传输机器人的构型与设计原则,建立了机器人手臂的模型,对硅片传输机器人的径向直线伸缩运动展开分析,提出了实现该运动的机构,并对机构进行了运动学分析。
设计了硅片传输机器人的手臂结构、建立了手臂的有限元模型,对手臂进行了动态特性分析,得出了硅片传输机器人手臂低阶模态与振型。
然后,针对硅片传输机器人手臂快速运动容易产生机构本体振动的问题,基于拓扑优化理论,提出了一种硅片传输机器人手臂结构拓扑优化方法。
采用有限元方法建立硅片传输机器人手臂的模型,应用ANSYS软件对手臂结构进行了拓扑优化设计,使得臂体的结构总柔度值减小,即增加了结构的刚度。
最后,根据拓扑优化云图建立了手臂的新型结构,并对新的手臂模型进行了动态特性分析,结果表明手臂的低阶固有频率得到了提高,改进了硅片传输机器人手臂的振动特性,证明了将结构拓扑优化方法应用于硅片传输机器人手臂设计中的有效性和正确性。
2.期刊论文刘超颖.彭发展.王战中•杨晓博.范晓珂.HUChao-ying.PENGFa-zhan.WANGZhan-zhong.YANGXiao-bo.FANXiao-ke基于MATLAB的非球型手腕6R喷漆机器人手臂参数优化设计-机械设计与制造2010(11
针对某一具体型号的轿车车身,将喷漆机器人的大臂、小臂简化为无质量的连杆,建立了优化连杆参数的数学模型,并利用MATLAB语言编程进行了求解.同时,基于优化后的连杆参数,对喷漆机器人的工作空间进行了仿真,仿真结果证明所设计的手臂能够满足工作要求.
3.期刊论文张永贵•黄玉美•程祥•林义忠•高峰•ZhangYonggui.HuangYumei.ChengXiang.LinYizliong.GaoFeng基于动力学的机器人手臂上零部件安装位置优化-农业机械学报2006,37(3
针对所设计的XAUT-ni型6自由度关节型机器人,在工作空间和基本结构已定的情况下,应用凯恩方法、建立其动力学模型,找出关节驱动力矩最大的位姿,视为最恶劣情况,在此情况下以关节力矩和最小为目标函数,用安装在机器人手臂上的零部件的质心坐标编成基因码串,应用遗传算法对这些零部件的安装位置进行优化,结果表明可以达到改善机器人动力学性能的目的.
4.学位论文王铁军硅片传输机器人的动力学特性与结构优化研究2009
集成电路(IC装备制造业是高技术装备产业的典型代表,硅片传输机器人是IC制造装备中负责硅片传输和定位的关键设备之一,其工作性能直接影响硅片的生产效率和制造质量。
针对硅片传输机器人高精度、高洁净和高可靠性的要求,研究硅片传输机器人手臂的动力学特性,进行动力学仿真和实验,并进行手臂结构优化,从而提高其工作性能,对硅片传输机器人的深入研究具有重要意义。
本文首先介绍了国内外硅片传输机器人的发展概况和研究现状,概述了机器人手臂的运动学、动力学及机器人手臂结构优化设计的相关知识,提出了硅片传输机器人手臂动力学特性分析和结构优化的研究内容。
其次,根据机器人运动学的基本理论,推导了机器人径向直线伸缩运动的运动学方程,依据机器人动力学的基本理论,推导了机器人径向直线伸缩运动的拉格朗日运动方程式,为后续的研究奠定理论基础。
然后,建立了硅片传输机器人的虚拟样机仿真模型,利用ADAMS软件对机器人径向直线伸缩运动进行了运动学和动力学仿真,得到了机器人大臂、小臂和末端执行器的速度、加速度、角速度曲线等一系列重要仿真结果,验证了机器人的运动学和动力学理论分析。
随后,根据模态分析的相关理论,应用ANSYS软件对机器人手臂进行了有限元模态分析,并搭建动力学实验平台对机器人手臂结构进行了试验模态分析、最后应用MATLAB软件依据导纳圆模态辨识方法对实验数据进行了分析处理,并对比了实验与仿真结果,结果表明机器人手臂的动力学特性仍需提高,结构需改进优化。
最后,根据硅片传输机器人手臂的动力学分析、仿真结果和实验结果,对机器人末端执行器进行了结构优化设计,依据优化结果设计了符合强度和刚度要求的末端执行器•并验证了优化的正确性。
5.学位论文许睦旬水轮机叶片焊接打磨机器人手臂运动及振动分析2000
该文针对机器人手臂冗余度,采用分解和扩展工作空间法将冗余度系统转化为非冗余度系统,求解运动学方程•针对机器人手臂高精度定位的要求,给冗余度手臂设定了优化约束条件,即最少关节联动.在这种约束情况下,该文对工作空间进行了深入研究,提出动态的“工作空间动态子构成“新概念,得出各级动态子构成工作空间的判别条件,以及手臂运动形式的解析表达式•在计入关节弹性和手臂杆件弹性的情况下,采用传递矩阵法建立系统振动模型,并解得频率方程的固有频率和振型;随后深入分析系统固有频率和振型,对影响系统固有频率和振型的因素给出定性的结果.
6.期刊论文刘亚洲•韩晓明•杨汝清.LIUYa-zhou.HANXiao-ming.YANGRu-qing关节型机器人手臂臂长参数的一种优化方法-机械2006,33(3
结合关节型机器人工作空间的求解,用图解法建立数学模型,提出对机器人手臂臂长参数的一种优化方法,以使得机器人得到最合理的臂长分配.
7.学位论文吴莹单较柔韧性机器人手臂的优化设计1995
&期刊论文刘安心用优化连续法求机器人手臂的极限距离-机械科学与技术
2000,19(1
9.期刊论文钱东海.袁斌.QIANDong-hai.YUANBm基于遗传算法的超二次曲面间碰撞检测算法研究-组合机床与自动化加工技术2010(8
文章对机器人的手臂采用超二次曲面建模,将机器人碰撞检测问题归结为两超二次曲面之间最短距离求解,该问题本质为一带约束条件的非线性优化问题•将该问题转化为非线性优化问题后,利用遗传算法对该问题进行求解•实例表明,遗传算法对该问题的求解克服了传统算法求解中的初始点难于选择、局部最优点等问题,并提高了算法的收敛速度.
10.期刊论文殷慧•樊炳辉•程立•YINHui.FANBing-Inn.CHENGLi喷浆机器人手臂俯仰机构的优化设计-煤矿机械2010,31(5
喷浆机器人做大臂俯仰运动时应使杆件与地面保持平行,同时需要整体结构紧凑,运动时不能产生自锁现象,大臂俯仰运动能达到要求的极限位置,而且油缸也要尽量短.为了满足以上的设计要求选用平衡油缸的联动机构,以实现运动过程中杆件与地面平行的要求•运用优化设计理论,选择外罚函数法,对平衡油缸联动机构建立数学模型,运用C语言编写优化程序,求解得到最优设计方案.
1.牛志鹏主从式MIS机器人设计[学位论文]硕士2005
2.陈华志.谢存禧•曾德怀基于神经网络的移动机器人路径规划算法的仿真[期刊论文卜华南理工大学学报(自然科学版2003(6
本文链接:
http:
//d.g.
授权使用:
胡乃志(wfhygcdx,授权号:
ba03367a-b4ac-47aa-abc5-9ea600ac9a77
下载时间「2011年3月140
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 机器人 手臂 结构 力学 特性 分析 及其 优化 概要