重载工业机器人机构设计与性能保障

　　摘 要

　　重载工业机器人能代替人工在高危恶劣的环境下进行重载作业，具有负载大、工作效率高、稳定性好等优势。针对于广泛应用的重载工业机器人而言，如何保障工作性能是该领域的研究热点之一。本文以提高重载工业机器人的性能为目标，开展重载工业机器人概念设计、运动学与动力学分析、性能指标分析、轨迹规划等方面的研究，论文的主要工作内容与研究成果如下：

　　针对各个工程领域对高性能重载工业机器人的应用需求，考虑机器人本体自重、负载能力、结构刚度和工作空间等设计要求，以结构平衡设计、轻量化设计以及可重构设计为思路，对高性能重载工业机器人进行概念设计，提出一系列重载工业机器人构型方案。以层次分析法为理论基础，从本体自重、负载能力、所占空间、机构刚度、受力性能及工作空间六方面对设计的构型方案进行分析和评价，分析遴选出最优方案连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人作为研究对象。

　　对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人进行运动学分析，采用 D-H 法建立机器人结构参数模型，求解机器人运动学正解和反解，分析各关节的角位移、角速度、角加速度和角跃度。采用蒙特卡洛随机采样法分析机器人的工作空间，得到机器人工作空间的立体图。在给定特定的运动轨迹与运动周期条件下对运动学模型进行计算仿真，验证机器人的运动趋势。

　　采用拉格朗日方程法分别对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与典型双平行四边形重载工业机器人进行动力学建模，分析机器人各杆件的动能和势能，推导机器人系统刚体动力学方程中惯量矩阵、Coriolis 力和离心力矩阵以及重力项矩阵，求解各关节驱动力矩的表达式。给定机器人结构参数对这两种结构机器人动力学进行计算仿真并对比分析仿真结果。

　　从运动学、动力学的角度考虑，提出各关节力矩、条件数、承载能力、功率和能耗等指标对连杆-丝杆传动平衡式重载工业机器人进行性能评估。以重载码垛任务为例对机器人进行基于能耗最优的轨迹规划，以机器人运行过程中消耗的总能量为目标函数，以运行时间、电机转速及电机输出力为约束，同时考虑减少机器人末端残余振动，保证运行结束时机器人末端的加速度为零，运用龙格库塔方法与多重打靶法在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹并进行仿真分析。结果表明进行能耗最优轨迹规划后机器人的总能耗明显降低。

　　分别将 Solid Works软件中建立的连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人三维模型导入 ADAMS软件中建立其虚拟样机模型，导入测试数据对两种重载工业机器人进行虚拟样机仿真，包括运动学仿真与动力学仿真。仿真结果与理论模型趋势一致，从而验证了理论模型的正确性。

　　关键词 ： 　重载工业机器人；概念设计；运动学；动力学；性能评估；轨迹规划。

　　ABSTRACT 

　　Heavy  duty  industrial  robot  can  replace  manual  work  in  high-risk  and  harshenvironment. It has the advantages of large load, high efficiency and good stability.

　　For  the  widely  used  heavy  duty  industrial  robot,  how  to  guarantee  the  workingperformance  is  one  of  the  research  hotspots  in  this  field.  In  order  to  improve  theperformance of heavy-duty industrial robot, this paper studies the conceptual design,kinematics and dynamics analysis, performance index analysis and trajectory planningof heavy-duty industrial robot. The main contents and research results are as follows:

　　According  to  the  application  requirements  of  high-performance  heavy-dutyindustrial  robots  in  various  engineering  fields,  considering  the  designrequirements  of  robot  body  weight,  load  capacity,  structural  stiffness  andworkspace,  the  conceptual  design  of  high-performance  heavy-duty  industrialrobot is  carried out  based on the idea of structural  balance design, lightweightdesign  and  reconfigurable  design,  and  a  series  of  configuration  schemes  ofheavy-duty industrial robot are proposed. Based on the analytic hierarchy process(AHP),  this  paper  analyzes  and  evaluates  the  design  scheme  from  six  aspects:

　　body  weight,  load  capacity,  occupied  space,  mechanism  stiffness,  mechanicalperformance and workspace, and selects the optimal scheme connecting rod leadscrew drive balanced heavy-duty industrial robot as the research object.

　　Kinematics analysis of balanced heavy-duty industrial robot driven by connectingrod  and  lead  screw  is  carried  out.  The  D-H  method  is  used  to  establish  thestructure  parameter  model  of  the  robot.  The  forward  and  inverse  kinematicssolutions of the robot are solved, and the angular displacement, angular velocity,angular acceleration and angular jump of each joint are analyzed. Monte Carlorandom sampling method is used to analyze the workspace of the robot, and thestereogram of the workspace is obtained. The kinematics model is simulated in agiven trajectory and period to verify the movement trend of the robot.

　　Lagrange  equation  method  is  used  to  model  the  dynamics  of  the  balancedheavy-duty  industrial  robot  driven  by  connecting  rod  and  lead  screw  and  thetypical double parallelogram heavy-duty industrial robot. The kinetic energy andpotential  energy  of  each  link  of  the  robot  are  analyzed.  The  inertia  matrix,Coriolis force, centrifugal force matrix and gravity term matrix in the rigid bodydynamics equation of the robot system are derived, and the expressions of drivingtorque of each joint are solved. Given the structure parameters of the robot, thedynamics of the two kinds of structure robots are calculated and simulated, andthe simulation results are compared and analyzed.

　　From  the  perspective  of  kinematics  and  dynamics,  the  joint  torque,  conditionnumber,  carrying  capacity,  power  and  energy  consumption  are  proposed  toevaluate  the  performance  of  the  link  screw  drive  heavy-duty  industrial  robot.

　　Taking the heavy load palletizing task as an example, the trajectory planning of the  robot  based  on  the  optimal  energy  consumption  is  carried  out.  The  totalenergy  consumed  during  the  operation  of  the  robot  is  taken  as  the  objectivefunction, and the running time, motor speed and motor output force are taken asconstraints.  At  the  same  time,  the  residual  vibration  at  the  end  of  the  robot  isconsidered to reduce to ensure that the acceleration at the end of the operation iszero, The Runge Kutta method and multiple shooting method are used to obtainthe lowest energy consumption trajectory in the global range, and the simulationanalysis is carried out. The results show that the total energy consumption of therobot  is  significantly  reduced  after  energy  consumption  optimal  trajectoryplanning.

　　The  three-dimensional  models  of  connecting  rod  lead  screw  drive  balancedheavy-duty industrial robot and double parallelogram heavy-duty industrial robotestablished  in  Solid Works software  are  imported  into  ADAMS software  toestablish their virtual prototype models. The test data are imported to simulate thevirtual  prototype  of  the  two  heavy-duty  industrial  robots,  including  kinematicssimulation  and  dynamics  simulation.  The  simulation  results  are  basicallyconsistent with the trend of the theoretical model, which verifies the correctnessof the theoretical model.

　　Keywords :     Heavy duty industrial robot; Conceptual design; Kinematics; Dynamics;Performance evaluation; Trajectory planning。

　　第一章   绪论

　　1.1、课题研究背景及意义。

　　重载工业机器人具有大负载、高效率、高稳定性等优势，可以用于高危恶劣的环境下代替人工工作[1]，在机械加工、自动化生产、智能制造、物流运输、电子电器等各行各业中发挥着至关重要的作用[2]。近些年，自动化产业发展迅速，自动化生产线对重载工业机器人的性能和功能等方面也提出更高要求，因此，如何有效提高重载工业机器人的性能是目前机器人学的研究热点之一。

　　重载工业机器人性能的研究领域涉及多个学科，在机械结构方面，传统的重载工业机器人大多是单臂刚性结构，随着工业领域对机器人末端负载需求的提高，这类机构的局限性逐渐突显出来，不平衡布局的单臂结构导致机器人在工作过程中稳定性差，而刚性杆件会增大机器人的本体重量。为了避免这些问题，从结构上改善机器人的性能引起了人们的关注。对重载工业机器人进行结构平衡设计可以提高平衡性和稳定性[3]，采用轻质绳索代替部分刚性杆件对重载工业机器人进行轻量化设计可以提高负载自重比[4][5]，对重载机器人进行可重构设计可以提高功能的多样性[6]。在轨迹规划方面，目前大多数工作着重于提高机器人精度及速度，对于机器人能耗的关注较少，为了响应我国“资源节约型”社会，从能耗最优的角度考虑轨迹规划问题也是尤为重要的。因此，针对重载工业机器人结构方面的缺陷对机器人进行机构设计，从结构上提高机器人的性能是一种有效的设计方法，基于能耗最优对机器人进行轨迹规划对提高机器人操作性能具有重要的研究价值和实际意义。基于此背景，本文对于重载工业机器人机构设计及性能保障的相关研究工作应运而生。

　　本文对重载工业机器人进行机构设计，以运动学、动力学分析为理论基础提出具有明显物理意义的性能指标，以能耗最优为目标对机器人进行轨迹规划。目的在于设计一种高性能重载工业机器人，研究高性能工业机器人性能保障相关的理论方法与技术，对后续机器人结构性能和操作性能方面的研究提供参考与借鉴。

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　　1.2 国内外研究现状.

　　1.2.1 重载工业机器人发展概况.

　　1.2.2 重载工业机器人结构设计.

　　1.2.3重载工业机器人性能指标

　　1.2.4 重载工业机器人轨迹规划.

　　1.2.5 虚拟样机技术.

　　1.3 课题主要研究内容.

　　第二章  重载工业机器人概念设计.

　　2.1 引言.

　　2.2重载工业机器人设计目

　　2.3概念设计.

　　2.3.1结构平衡设计.

　　2.3.2轻量化设计.

　　2.3.3 可重构设计.

　　2.4方案分析与评价.

　　2.4.1 评价方法.

　　2.4.2评价模型.

　　2.4.3评价结果.

　　2.5本章小结.

　　第三章  重载工业机器人运动学分析.

　　3.1 引言.

　　3.2机器人结构参数建模.

　　3.2.1刚体位姿描述方法.

　　3.2.2连杆参数和关节变量.

　　3.3重载工业机器人运动学正解.

　　3.3.1机构描述.

　　3.3.2运动学正解

　　3.4重载工业机器人运动学反解.

　　3.5工作空间分析

　　3.6算例仿真.

　　3.7本章小结

　　第四章  重载工业机器 人动力学分析.

　　4.1引言.

　　4.2动力学分析方法简述.

　　4.3机器人刚体动力学模型.

　　4.3.1连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人动力学建模

　　4.3.2 双平行四边形重载工业机器人动力学建

　　4.4 动力学算例

　　4.5本章小结.

　　第五章  重载工业机器 人性能评估.

　　5.1引言.

　　5.2性能指标分析.

　　5.2.1运动学性能.

　　5.2.2动力学性能.

　　5.3算例仿

　　5.4本章小结.

　　第六章   重载工业机器 人能耗最优轨迹规划

　　6.1 引言.

　　6.2基于能耗最优轨迹规划的数学描述.

　　6.2.1问题描述

　　6.2.2能耗最优轨迹规划求解.

　　6.3轨迹规划仿.

　　6.4本章小结.

　　第七章   重载工业机器 人虚拟样机仿真

　　7.1 引言

　　7.2重载工业机器人虚拟样机建

　　7.3虚拟样机仿

　　7.4本章小结.

　　第八章   全文总结

　　本文以提高重载工业机器人结构性能与操作性能为目标，首先从结构方面考虑机器人本体自重、负载能力、结构刚度和工作空间等设计要求，对重载工业机器人进行概念设计，包括结构平衡设计、轻量化设计和可重构设计，提出一系列高性能重载工业机器人构型方案并分析遴选出性能最优的设计方案作为本文研究对象。其次，对研究对象进行理论分析，包括运动学分析、动力学分析与性能指标分析等相关研究，根据重载工业机器人运动学与动力学模型，提出具有明显物理意义的性能指标进行性能评估。然后，针对重载工业机器人能耗大的问题，对其进行基于能耗最优的轨迹规划。最后，通过搭建重载工业机器人的虚拟样机模型对理论进行验证。全文得到以下结论：

　　(1)构型设计方面

　　针对各个工程应用领域对高性能重载工业机器人的需求，考虑机器人本体自重、负载能力、结构刚度和工作空间等设计要求，以结构平衡设计、轻量化设计以及可重构设计为思路，对高性能重载工业机器人进行结构设计。提出一系列重载工业机器人构型方案，并分析遴选出结构性能最优的构型。以层次分析法为理论基础，从本体自重、负载能力、所占空间、机构刚度、受力性能及工作空间六方面对设计的构型方案进行分析和评价，得到各个构型方案的最终评估值，分析出结构平衡设计方案四(连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人)为高性能重载工业机器人的优选结构。

　　(2)理论建模方面

　　根据齐次变换法描述重载工业机器人的末端位姿，采用 D-H法建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人结构参数模型，求解机器人运动学正解和运动学反解，分析各关节的角位移、角速度、角加速度和角跃度。采用蒙特卡洛随机采样法分析机器人的工作空间，得到机器人工作空间的立体图以及XOY方向和XOZ方向的投影图。采用拉格朗日方程法分别建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人的刚体动力学模型，通过动力学模型发现，作用于这两种重载机器人各个关节的驱动力矩是一个关于关节角度、关节角速度以及关节角加速度的函数。根据动力学仿真结果对比分析可知，经过结构平衡设计的连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人各关节力矩明显小于典型双平行四边形重载工业机器人。

　　(3)性能评估方面

　　考虑机器人末端速度对关节速度的影响，将雅可比矩阵行列式与条件数作为重载工业机器人的运动学性能指标。以重载工业机器人大能耗的特性为基础，将功率、能耗指标作为重载工业机器人的动力学性能指标。从机器人承载能力的物理意义出发，提出一种能直观显示描述机器人各个关节在各个位姿下力矩大小的静负载指标，并将静负载指标用于评估重载工业机器人的承载能力。对比分析连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人的各项性能指标，结果表明在大多数位姿状态下，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人的运动学性能要优于典型双平行四边形重载工业机器人。在动力学性能方面，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人各关节的功率明显小于双平行四边形重载工业机器人。在静负载指标方面，连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人也要优于双平行四边形重载工业机器人。

　　(4)轨迹规划方面

　　对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人能耗最优轨迹规划问题进行数学描述，以机器人运行过程中消耗的总能量为目标函数，以运行时间、电机转速及电机输出力为约束，同时考虑减少机器人末端残余振动，保证运行结束时机器人末端的加速度为零，将机器人轨迹规划问题转化为求解泛函极值的问题，运用龙格库塔方法与多重打靶法在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹。对能耗最优轨迹规划与七次多项式轨迹规划的路径与能耗进行仿真并分析，结果表明进行能耗最优轨迹规划后机器人的总能耗明显降低，并通过能耗曲线分析能耗降低的原因：进行能耗最优轨迹规划后的能耗增加较为稳定，而七次多项式轨迹能耗曲线即功率的变化波动较大。

　　(5)虚拟样机方面

　　在 Solid Works软件中分别建立连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人三维模型，将建好的模型导入ADAMS软件中，添加机器人各零部件机械配合关系相对应的约束关系，从而搭建连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人的虚拟样机。导入测试数据对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人进行虚拟样机仿真，包括运动学仿真与动力学仿真。仿真结果验证了前文连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人理论模型的正确性。

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