基于MATLAB的小型码垛机器人机构设计与仿真的研究

【摘要】：本文主要以SolidWorks三维建模软件和MATLAB仿真软件为平台,从不同角度研究该小型码垛机器人,其中包括对其任务空间的分析、运动学分析、动力学分析、性能分析、结构尺寸优化、三维实体建模与仿真等。采用无纸化的设计理念不仅提高工作效率更能减少经济成本,对机器人结构设计与仿真等方面的研究具有较高的参考意义。研究取得了以下成果:根据对码垛机器人任务空间的分析,确定其实际任务空间范围。选用D-H参数法建立机器人坐标系,然后对该建立的模型进行运动学分析,应用矩阵的相关其次变化推导出该码垛机器人末端执行装置连杆的位置、姿态与各结构参数之间的关系。对该码垛机器人工作空间进行分析,运用MATLAB进行编程从而获得该码垛机器人工作空间的三维图,并研究其主要参数对码垛机器人工作空间体积的影响。对该码垛机器人进行动态静力学建模,通过受力分析和主要杆件的加速度分析,列出不同角度的变化对各个连杆的驱动力和驱动力矩的影响,并用MATLAB编程绘制出各个目标函数的变化对其连杆的驱动力和驱动力矩的影响曲线图。最后定义了关节驱动力和驱动力矩影响系数,并研究不同杆长的变化对驱动力和驱动力矩的影响系数。介绍了该小型码垛机器人的速度Jacobian矩阵和刚度矩阵并对其进行求解,对其速度和静刚度性能进行分析,并给出速度全域性能评价指标、加速度全域性能评价指标和静刚度全域性能评价指标。运用MATLAB进行编程实现相应图谱的绘制,最后对绘制的图谱进行分析并得出结论。应用MATLAB遗传算法工具箱对该机器人的结构尺寸进行优化,优化时以其工作空间、速度性能评价指标和静刚度性能评价指标为待优化的目标函数,对其进行优化并得出全局最优解。对比优化前后机器人的工作空间截面面积、速度性能评价指标和静刚度性能评价指标,来检验优化结构的正确性。应用SolidWorks软件建立该小型码垛机器人各主要零部件的实体模型,并对模型零部件进行装配,装配完成后进行干涉检查。以MATLAB软件为平台,通过SimMechanics Links插件将在SolidWorks软件中建立并装配好的码垛机器人三维模型导入到SimMechanics仿真环境中,给各个旋转关节加上驱动从而实现码垛机器人的运动仿真,并分析仿真结果。本文对于码垛机器人机构的设计以及MATLAB仿真方面的研究具有很大的参考意义和借鉴价值。