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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。


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