基于刚度建模的协作机器人结构优化

作     者：杜天野 

作者单位：沈阳理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：潘新安;慕丽

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：协作机器人 刚度建模 结构优化 

摘      要：刚度是协作机器人的重要指标,直接关系机器人的工作性能。质量是协作机器人的关键参数,轻质量也是协作机器人安全性高的原因之一。鉴于目前对协作机器人的结构优化研究中同时关注刚度与质量,并建立其映射关系进行尺寸优化的研究并不多见,所以本文基于刚度建模,对协作机器人进行多目标结构优化,得到了刚度和质量都较优的协作机器人尺寸结构。本文的主要工作如下:完成机器人材料选择,建立了机器人的D-H坐标系,完成机器人的正运动学分析,为后续使用打下基础。运用虚拟关节法对机器人进行刚度建模,考虑了连杆和关节的柔性,建立了机器人末端参考点变形和机器人整机刚度矩阵的关系式;将有限元法和结构矩阵法结合,考虑了连杆的实际受力情况,如拉伸压缩、弯曲以及扭转,将臂杆看作空间梁模型并运用虚功原理建立了其解析刚度矩阵。针对连杆的变截面情况,运用了等效法简化了计算,求解出的矩阵中每个元素都是已知的代数式,直接与连杆的结构尺寸相关,方便后续尺寸优化;采用等效弹簧法对协作机器人中的螺栓连接部分进行了连接刚度建模,将连接部分等效为弹簧系统,得到了连接部分的轴向和切向刚度,将其纳入整机刚度矩阵。将协作机器人变截面连杆的结构尺寸作为优化变量,采用NSGA-II算法,以机器人刚度和质量为优化目标,对机器人进行了多目标尺寸优化。本文的创新点体现为:考虑了机器人各部分连接处的螺栓的刚度;建立了机器人的整机刚度矩阵,将连杆优化区域的结构尺寸直接与刚度和质量相关联,为后续尺寸优化提供了途径;采用NSGA-II算法,同时考虑机器人的刚度和质量,进行了多目标优化。