收藏本站
《天津大学》 2012年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

空心非球型手腕喷涂机器人设计及关键技术研究

吕世增  
【摘要】:喷涂机器人系统是汽车制造中的关键设备之一,其结构设计与相关理论方法的研究具有重要的学术和应用价值。本文以研制喷涂机器人系统为目标,系统地研究了喷涂机器人机构运动学、动力学、机构性能评价及尺寸优化、几何参数标定等相关理论,开发了喷涂机器人相关单元技术,最后,建造了机器人样机系统一套,并完成了样机标定。取得了如下主要研究成果: 运用对偶四元数来描述机器人的空间运动及位姿,并建立起与传统的D-H参数表示法的映射关系。根据这种映射关系的特点及其内蕴的性质,将射影几何学的方法引入机器人的运动学分析,采用射影映射将表示机器人空间位姿及运动的固有刚体运动群SE(3)的元素,映射为7维射影空间中Study二次曲面上的点,从而建立起以几何学为基础的运动学分析方法。并利用两个3R子机构的约束流形与Study曲面相交,建立非球型手腕6R机器人的运动学逆解算法,该算法可作为空心非球型手腕喷涂机器人离线编程技术开发及轨迹规划的基础。 基于Kane方程建立机器人机构的动力学模型,为了解决传统Kane方程中偏速度求取困难的问题,引入基于旋量理论求得的机构物体Jacobian矩阵。并建立起物体Jacobian与偏速度的对等关系,证明二者在数学表达上的一致性。旋量形式的物体Jacobian使旋量理论描述刚体运动形式简洁、几何意义明确的特点体现在Kane方程中。同时基于Newton-Euler方程得到各杆件速度、加速度的递推公式,最终构建出机器人动力学模型。通过数值仿真与软件仿真的结果比较,证明了所建立动力学模型的正确性,在此基础上,基于机器人关节峰值扭矩及惯量匹配原则,计算出在加减速阶段作用在电机轴上的峰值扭矩,及折算到电机轴上的转动惯量,根据这两组参数选定所需的伺服电机型号。 为了对机器人机构的速度及加速度性能进行评价,根据一阶Jacobian矩阵和二阶Hessian矩阵的条件数,建立机器人机构的速度全域性能指标和加速度全域性能指标。在Hessian矩阵的求取过程中,深化旋量表示法的应用,推导出基于指数积公式的Hessian矩阵元素求解方程,使得求解过程简单易行且几何意义明确。进一步,以机构速度和加速度的全域性能指标为优化目标研究喷涂机器人连杆尺寸与速度及加速度性能之间的关系,在保证速度全域性能最优的情况下,求得主连杆尺寸组合为0.8m和1.5m,在保证加速度性能全域最优的情况下,求得主连杆尺寸组合为1.1m和1.2m。为了对具有相同功能的不同型号的机器人产品的综合性能进行评价,建立了机器人综合性能评价的指标体系。提出从系统演化的角度来分析研究产品性能形成的机理,并用自组织特征映射算法模拟系统演化过程,最终实现对其综合性能的评价,并以实例证明了这种评价方法的有效性。 根据此前的设计理论完成空心非球型手腕喷涂机器人的详细设计,完成零件加工及整机装配,利用YASKAWA伺服系统搭建了机器人控制系统。为了对机器人进行几何参数误差标定,建立基于MDH参数的运动学模型,并通过Jacobian矩阵扩展矩阵的奇异值分解得到几何参数误差中的冗余项,排除冗余后得到简化的几何参数误差标定模型。基于该模型进行计算机仿真,经过补偿使位置误差的最大值由标定前的4.978mm减小到0.056mm,补偿结果完全满足喷涂机器人工作的精度要求,证明了标定模型的有效性。进一步,进行了喷涂机器人的标定实验,使用激光跟踪仪对机器人工具端的空间位置进行了数据测量,计算出喷涂机器人机构的实际几何参数误差,并进行了参数误差补偿。标定后机器人工具端位置误差由14.46mm减小到0.12mm,实验结果验证了标定模型的准确性,机器人进行几何参数误差补偿后能够满足工作的精度要求。
【学位授予单位】:天津大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TQ639.3;TP242

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 周昌令,方晓庆,苏先樾;HT120点焊机器人柔性臂动力学和强度分析[J];工程力学;2004年05期
2 李华敏,吴波,刘鹄然;圆锥形凹齿球面齿轮传动[J];哈尔滨工业大学学报;1997年01期
3 张建忠;机器人连杆参数的视觉标定[J];制造业自动化;2004年11期
4 丁希仑,Selig John Mark,戴建生;具有空间复合变形构件的机械系统分析方法[J];机械工程学报;2005年08期
5 郭希娟;耿清甲;;串联机器人加速度性能指标分析[J];机械工程学报;2008年09期
6 夏丹;陈维山;刘军考;韩路辉;;基于Kane方法的仿鱼机器人波状游动的动力学建模[J];机械工程学报;2009年06期
7 吕世增;张大卫;刘海年;;基于吴方法的6R机器人逆运动学旋量方程求解[J];机械工程学报;2010年17期
8 潘存云,尚建忠,杨昂岳,罗昆,刘宪锋;球齿轮机构及其应用[J];机械科学与技术;1997年01期
9 李春梅,周骥平,颜景平;基于视觉的三轴相交机械手姿态误差的计算与评价[J];机械设计与制造工程;2000年02期
10 张伟,丁秋林;INVERSE KINEMATICS FOR A 6 DOF MANIPULATOR BASED ON NEURAL NETWORK[J];Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronau;1997年01期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 张立杰;两自由度并联机器人的性能分析及尺寸优化[D];燕山大学;2006年
2 王东署;工业机器人标定技术研究[D];东北大学;2006年
3 张永贵;喷漆机器人若干关键技术研究[D];西安理工大学;2008年
4 王战中;喷涂机器人连续3R斜交非球型手腕设计方法与实践[D];天津大学;2008年
5 刘海涛;少自由度机器人机构一体化建模理论、方法及工程应用[D];天津大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王一;测量机器人模型误差及标定方法的研究[D];天津大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈征;;一类系统的二次李雅普诺夫函数存在性的判断[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2006年04期
2 高洪;赵韩;;并联机器人机构学理论研究综述[J];安徽工程科技学院学报(自然科学版);2006年01期
3 葛洪央;葛新锋;;机器人运动学的旋量表述[J];安徽农业科学;2012年10期
4 苏鹏;何广平;;单腿跳跃机器人动力学建模与仿真验证[J];北方工业大学学报;2011年03期
5 时国平;刘赣伟;;工业机器人示教盒系统的设计[J];兵工自动化;2006年05期
6 刘伟;齐晓慧;;基于视觉的机械手臂自主抓物的实现[J];兵工自动化;2008年12期
7 陈远志;李卫京;;半圆形尾鳍机器鱼在水球竞赛中的点到点路径规划算法[J];兵工自动化;2010年11期
8 李长春;延皓;张金英;刘晓东;;一种改进的6自由度运动模拟器逆动力学模型[J];兵工学报;2009年04期
9 窦建武,余跃庆;柔性机器人协调操作的力可操作性研究[J];北京工业大学学报;2000年03期
10 刘迎春,余跃庆;柔性协调机器人系统的动力学建模与仿真[J];北京工业大学学报;2000年S1期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王云;;载货车传动轴的布置与验算[A];“2011西部汽车产业·学术论坛”暨四川省汽车工程学会四届第九次学术年会论文集[C];2011年
2 冯俊娥;崔鹏;;线性奇异时滞系统的干扰解耦[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 孙立宁;刘彦武;曲东升;李长峰;;靶定位并联机器人控制研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 左宗玉;;四旋翼无人飞行器自适应轨迹跟踪控制[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
5 熊青春;王健强;;基于机构精度通用算法的机器人位姿误差建模[A];首届中国CAE工程分析技术年会暨2005全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2005年
6 侯炜;刘红领;张林波;张德超;;基于衬套的准柔性体离散化建模方法研究[A];第五届中国CAE工程分析技术年会论文集[C];2009年
7 邱艳峰;于立娟;刘荣升;高英杰;;智能化泵车臂架电液操控技术的开发研究[A];中国机械工程学会流体传动与控制分会第六届全国流体传动与控制学术会议论文集[C];2010年
8 史国振;孙汉旭;程时端;贾庆轩;张延恒;吴凡;;基于预估补偿的手眼伺服空间机器人控制方法研究[A];2006年首届ICT大会信息、知识、智能及其转换理论第一次高峰论坛会议论文集[C];2006年
9 林晓鹰;;摩托车自动焊接生产系统仿真[A];福建省科协第五届学术年会数字化制造及其它先进制造技术专题学术年会论文集[C];2005年
10 郑相周;罗友高;宾鸿赞;;移动型3-UPU并联机构静态稳定性分析[A];2006年湖北省博士论坛——先进制造技术与制造装备论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 周芳;蒸汽发生器检修机械手路径规划及控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘攀;绳索牵引机器人及虚拟重力系统研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
3 吴健荣;蒸汽发生器检修机器人样机研制及其关键技术研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
4 吴德烽;计算智能在三维表面扫描机器人系统中的应用研究[D];大连海事大学;2010年
5 郑大腾;柔性坐标测量机空间误差模型及最佳测量区研究[D];合肥工业大学;2010年
6 何锐波;基于指数积公式的串联机构运动学标定方法研究[D];华中科技大学;2010年
7 张克涛;变胞并联机构的结构设计方法与运动特性研究[D];北京交通大学;2010年
8 高贯斌;关节臂式坐标测量机自标定方法与误差补偿研究[D];浙江大学;2010年
9 皮阳军;电液伺服并联六自由度舰船运动模拟器轨迹跟踪控制及其应用研究[D];浙江大学;2010年
10 李正义;机器人与环境间力/位置控制技术研究与应用[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 户燕会;工业机器人的工作空间和误差补偿的分析与仿真[D];河南理工大学;2010年
2 雷云云;基于被动式四足机器人的运动学及动力学分析[D];山东科技大学;2010年
3 孙晓红;小口径深井救援机器人的设计研究[D];山东科技大学;2010年
4 陈斌;PJR-2X型喷浆机器人交互式虚拟样机系统开发[D];山东科技大学;2010年
5 殷慧;机器人假肢功能设计与分析[D];山东科技大学;2010年
6 梁春辉;拟人灵巧手的设计及其工作空间研究[D];浙江理工大学;2010年
7 张祖华;2-PPa移动并联机构运动学设计[D];浙江理工大学;2010年
8 郭大杰;3-PRRRR移动并联机构自由度、约束奇异和运动学分析[D];浙江理工大学;2010年
9 赵进科;正交三自由度并联机构动力学分析[D];郑州大学;2010年
10 万晓正;平面绳牵引并联机构的控制研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张家聪,呼欢;机械手动力学方程及优化设计[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);1998年01期
2 刘其广,戈新生;一种机器人动力学的旋量—矩阵方程[J];北京机械工业学院学报;2001年03期
3 徐卫良 ,张启先;空间开链和闭链连杆机构运动误差研究的微小位移合成法[J];北京航空学院学报;1987年01期
4 唐粲,超贠,栾胜;一种新型医疗机器人运动学及灵活性分析[J];北京航空航天大学学报;2005年07期
5 孙杏初;关节型机器人主连杆(手臂)参数的优化设计[J];北京航空航天大学学报;1996年04期
6 张硕生,余达太;轮式移动操作机器人的动力学模型[J];北京石油化工学院学报;2002年02期
7 陈丽;Stewart平台6-DOF并联机器人完整动力学模型的建立[J];燕山大学学报;2004年03期
8 陆金伟,除卫良,达庆利;柔性机器人操作臂的动力学建模[J];东南大学学报;1997年06期
9 路敦民;张立勋;董玉红;王岚;;基于Matlab的五杆式人机合作机器人动力学仿真研究[J];中国工程机械学报;2005年01期
10 黄耀文;集装箱自动喷漆机[J];广船科技;2001年01期
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 吴斌;大型物体三维形貌数字化测量关键技术研究[D];天津大学;2003年
2 李艳文;几类空间并联机器人的奇异研究[D];燕山大学;2005年
3 王斌锐;异构双腿行走机器人研究与开发[D];东北大学;2005年
4 李占贤;高速轻型并联机械手关键技术及样机建造[D];天津大学;2004年
5 王东署;工业机器人标定技术研究[D];东北大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 郑俊;基于立体视觉的通用测量机器人标定模式研究[D];天津大学;2005年
2 王一;测量机器人模型误差及标定方法的研究[D];天津大学;2006年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钱昱;周一鸣;;喷涂机器人降级模式在汽车涂装生产中的应用[J];汽车工艺与材料;2011年07期
2 ;内部加电水性漆喷涂技术[J];天津汽车;2008年03期
3 周青松;张铁;;基于PMAC的喷涂机器人实时状态监控[J];机械设计与制造;2009年12期
4 刘鸫根;吴向垒;张铁;谢存禧;;基于PMAC的喷涂机器人运动控制系统研究[J];煤矿机械;2008年02期
5 王浩;周青松;谢存禧;张铁;;6自由度喷涂机器人的运动学分析及仿真研究[J];煤矿机械;2008年09期
6 周春烨;曾勇;;面向球面的喷涂机器人经线喷涂轨迹优化[J];机械设计与制造;2010年11期
7 孙国朋;戴立玲;卢章平;李明珠;;基于点云处理技术的喷涂机器人喷枪轨迹生成研究[J];机械设计与制造;2011年01期
8 王育哲;;喷漆机器人在汽车车身涂装中的应用[J];中国涂料;2007年04期
9 ;机电[J];军民两用技术与产品;2003年04期
10 ;专利技术市场[J];科技信息;1998年03期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 叶沙琳;张铁;谢存禧;邹焱飚;;机器人的控制系统故障诊断(检测)程序开发研究[A];第十届粤港机电工程技术与应用研讨会暨梁天培教授纪念会文集[C];2008年
2 孙启佳;;埃斯曼喷涂机器人在卡车涂装线应用的优缺点[A];第三届十省区市机械工程学会科技论坛暨黑龙江省机械工程学会2007年年会论文(摘要)集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 李文;我国机器人自动化技术装备应用领域广泛[N];中国汽车报;2003年
2 徐正平;上海工博会上的机床精品[N];中国机电日报;2002年
3 赛迪资讯顾问有限公司 张红芬 博士;机器人“走出幻想 迈进现实[N];中国计算机报;2001年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 王战中;喷涂机器人连续3R斜交非球型手腕设计方法与实践[D];天津大学;2008年
2 吕世增;空心非球型手腕喷涂机器人设计及关键技术研究[D];天津大学;2012年
3 曾勇;大型复杂自由曲面的喷涂机器人喷枪轨迹优化研究[D];兰州理工大学;2011年
4 陈伟;喷涂机器人轨迹优化关键技术研究[D];江苏大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姜寅;基于PLC的五轴喷涂机器人控制系统设计[D];杭州电子科技大学;2014年
2 邢东升;六自由度喷涂机器人结构设计及控制[D];天津大学;2008年
3 徐右兵;江铃轻型载货汽车涂装生产线的设计与开发[D];南京理工大学;2008年
4 柳军飞;铁路货车喷涂机器人关键技术的研究[D];华中科技大学;2007年
5 边浩;基于疲劳分析的静电粉末喷涂机器人的反求设计[D];天津大学;2008年
6 陈伟;喷涂机器人喷枪轨迹优化研究[D];江苏大学;2007年
7 周峰;喷涂机器人喷枪空间轨迹生成研究[D];江苏大学;2009年
8 林新峰;基于并联构型十自由度喷涂机器人运动学建模与仿真[D];青岛理工大学;2013年
9 孙国朋;喷涂机器人喷枪空间轨迹研究[D];江苏大学;2010年
10 李珂;面向产品的喷涂机器人结构设计及其性能分析研究[D];广东工业大学;2012年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026