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六轴机械臂的结构优化设计与轨迹规划研究

许慧印  
【摘要】:机械臂在现代工业生产中应用极其广泛,为人类历史的发展发挥了非常重要的作用,不同于传统类型的工业机械臂,现代新型机械臂有很多优良的特性,比如质量较小、轻巧简洁、精度较高以及功能也更加复杂等。本文设计一种新型的工业机械臂主要应用于工业生产流水线或者室外搬运作业等,主要研究内容有以下几个方面:首先对机械臂整机结构设计。此次设计的机械臂为6个自由度,通过安诺等新一代机械臂结构基于SoildWorks设计出机械臂6个关节的具体尺寸参数,并通过计算各个关节扭矩、角速度等关系变量确定出各关节驱动电机的所需要的功率与扭矩,最后确定电机、减速器、制动器以及轴承等组件选型。然后将设计完成的机械臂模型导进Ansys workbench模块中作静力学分析与模态分析,得到机械臂的应力和应变云图保证机械臂设计的安全性,并可以确定机械臂的薄弱环节或者设计冗余的部分,在模态分析中可以得到机械臂的前6阶模态振型,以确保机械臂在作业的过程中不会发生共振的现象,最后应用拉格朗日方程法,对整机模型进行动力学分析验证,保证机械臂运动的合理性。再次,通过分析机械臂的静力学分析云图发现机械臂的安全性能良好,且部分结构出现冗余现象,故此,为进一步提高所设计的机械臂的强度、刚度降低其前三阶固有频率等力学性能,需要对结构组件进行多目标结构拓扑优化。基于Hypermesh优化时以结构静态刚度最大和动态前三阶固有频率最小为优化设计目标采用灰色综合关联分析法确定各个子目标的权重系数。优化后根据结构的材料密度分布云图和迭代曲线对优化模型进行结构重构,并在此对重构后的模型进行静态和模态分析,与前述优化前的结果进行对比分析发现优化后的机械臂结构应力应变都有所降低,因此这种优化的拓扑算法为同类型的拓扑模型提供了理论上的参考依据。最后将所建立的机械臂样机模型配置相关参数后导入ROS机械臂操作系统中进行路径规划设计,在规划过程中运用改进的RRT算法进行机械臂避障分析的优化,实现机械臂能够平稳的越过障碍物到达目标位姿的优化分析设计,并分析机械臂在避障过程中各关节的速度的变化情况判断得出机械臂运行平稳,满足工作需求等。该论文有图64幅,表14个,参考文献72篇。


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