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平面关节型机器人结构优化研究

姜家宏  
【摘要】:机器人技术是多学科技术的综合运用,在众多类型机器人中,平面关节型机器人由于体积小、传动原理简单,且在平面内运动具有较大的柔性,在工业生产中得到广泛的应用。因此研究和应用先进的分析软件,解决机器人结构的优化问题,具有重要的理论意义和实用价值。本文以平面关节型机器人样机为基础,重点研究了机器人结构分析与优化问题。 首先,-本文介绍了机器人系统结构的设计方案。包括机座、大臂、小臂、腕部的结构设计等。 其次,运用D-H方法,建立了平面关节型机器人连杆坐标系,在此基础上,推导了机器人运动学的正反解。应用关节空间轨迹规划方法,并借助MATLAB软件对关节位移、速度、加速度进行了轨迹仿真,机械手能由初始位置沿预定路径到达目标位置,各关节位置变化连续、平滑、系统运动平稳,均能满足精度要求。根据现有机器人动力学分析方法,选择拉格朗日法建立机器人的完整动力学显式方程,以最简单的形式分析复杂的系统动力学。 最后,以平面关节型机器人大臂和小臂的重要性为出发点,从理论上说明了结构优化设计的原理及过程,介绍了ANSYS中参数化设计语言APDL相关概念,应用APDL语言对大臂和小臂的结构进行优化设计。为了进一步验证优化结构的合理性、可行性,针对得出的优化设计结果,建立了手臂有限元分析模型,选取最危险的受力状况作为分析工况,进行静力分析,得到手臂的应力和位移分布图,并对机器人的刚度进行了分析说明。然后,对手臂进行了模态分析,提取前4阶模态,得到对应的频率值,为避免在其共振频率附近工作提供了参数依据,同时也为改进机器人的结构设计提供了理论依据。


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