空心非球型手腕噴涂機器人設計及關鍵技術研究.pdf

1、噴涂機器人系統(tǒng)是汽車制造中的關鍵設備之一，其結構設計與相關理論方法的研究具有重要的學術和應用價值。本文以研制噴涂機器人系統(tǒng)為目標，系統(tǒng)地研究了噴涂機器人機構運動學、動力學、機構性能評價及尺寸優(yōu)化、幾何參數(shù)標定等相關理論，開發(fā)了噴涂機器人相關單元技術，最后，建造了機器人樣機系統(tǒng)一套，并完成了樣機標定。取得了如下主要研究成果：
　　 □運用對偶四元數(shù)來描述機器人的空間運動及位姿，并建立起與傳統(tǒng)的D-H參數(shù)表示法的映射關系。根據(jù)這種映

2、射關系的特點及其內(nèi)蘊的性質，將射影幾何學的方法引入機器人的運動學分析，采用射影映射將表示機器人空間位姿及運動的固有剛體運動群SE(3)的元素，映射為7維射影空間中Study二次曲面上的點，從而建立起以幾何學為基礎的運動學分析方法。并利用兩個3R子機構的約束流形與Study曲面相交，建立非球型手腕6R機器人的運動學逆解算法，該算法可作為空心非球型手腕噴涂機器人離線編程技術開發(fā)及軌跡規(guī)劃的基礎。
　　 □基于Kane方程建立機器人機

3、構的動力學模型，為了解決傳統(tǒng)Kane方程中偏速度求取困難的問題，引入基于旋量理論求得的機構物體Jacobian矩陣。并建立起物體Jacobian與偏速度的對等關系，證明二者在數(shù)學表達上的一致性。旋量形式的物體Jacobian使旋量理論描述剛體運動形式簡潔、幾何意義明確的特點體現(xiàn)在Kane方程中。同時基于Newton-Euler方程得到各桿件速度、加速度的遞推公式，最終構建出機器人動力學模型。通過數(shù)值仿真與軟件仿真的結果比較，證明了所建立

4、動力學模型的正確性，在此基礎上，基于機器人關節(jié)峰值扭矩及慣量匹配原則，計算出在加減速階段作用在電機軸上的峰值扭矩，及折算到電機軸上的轉動慣量，根據(jù)這兩組參數(shù)選定所需的伺服電機型號。
　　 □為了對機器人機構的速度及加速度性能進行評價，根據(jù)一階Jacobian矩陣和二階Hessian矩陣的條件數(shù)，建立機器人機構的速度全域性能指標和加速度全域性能指標。在Hessian矩陣的求取過程中，深化旋量表示法的應用，推導出基于指數(shù)積公式的He

5、ssian矩陣元素求解方程，使得求解過程簡單易行且?guī)缀我饬x明確。進一步，以機構速度和加速度的全域性能指標為優(yōu)化目標研究噴涂機器人連桿尺寸與速度及加速度性能之間的關系，在保證速度全域性能最優(yōu)的情況下，求得主連桿尺寸組合為0.8m和1.5m，在保證加速度性能全域最優(yōu)的情況下，求得主連桿尺寸組合為1.1m和1.2m。為了對具有相同功能的不同型號的機器人產(chǎn)品的綜合性能進行評價，建立了機器人綜合性能評價的指標體系。提出從系統(tǒng)演化的角度來分析研究產(chǎn)

6、品性能形成的機理，并用自組織特征映射算法模擬系統(tǒng)演化過程，最終實現(xiàn)對其綜合性能的評價，并以實例證明了這種評價方法的有效性。
　　 □根據(jù)此前的設計理論完成空心非球型手腕噴涂機器人的詳細設計，完成零件加工及整機裝配，利用YASKAWA伺服系統(tǒng)搭建了機器人控制系統(tǒng)。為了對機器人進行幾何參數(shù)誤差標定，建立基于MDH參數(shù)的運動學模型，并通過Jacobian矩陣擴展矩陣的奇異值分解得到幾何參數(shù)誤差中的冗余項，排除冗余后得到簡化的幾何參數(shù)誤

7、差標定模型?；谠撃Ｐ瓦M行計算機仿真，經(jīng)過補償使位置誤差的最大值由標定前的4.978mm減小到0.056mm，補償結果完全滿足噴涂機器人工作的精度要求，證明了標定模型的有效性。進一步，進行了噴涂機器人的標定實驗，使用激光跟蹤儀對機器人工具端的空間位置進行了數(shù)據(jù)測量，計算出噴涂機器人機構的實際幾何參數(shù)誤差，并進行了參數(shù)誤差補償。標定后機器人工具端位置誤差由14.46mm減小到0.12mm，實驗結果驗證了標定模型的準確性，機器人進行幾何參數(shù)