四自由度高速重载工业机器人动态特性的研究

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1、四自由度高速重载工业机器人动态特性的研究第1章绪论1.1课题研究背景及意义物料搬运广泛应用于机械行业，传统的工作方式是利用人工运输，成本高，速度慢，工作效率低，当要求的工作速度在10件/分钟以上时，再采用此类方案就显得力不从心，因而利用工业机器人进行码垛的方案便应运而生了。但随着企业的集团化和生产规模的扩大化，市场对工业机器人的要求也不断提高，尤其是对机器人的抓取载荷和工作速度都有了更高的要求，这就使得同时具备高速和重载条件的机器人生产成为一种趋势。众所周知，速度和载荷向来是一对难以调和的矛盾，在人们以往的观点里，重载意味着低速，而要想获得较高的搬运速度，对负载质量的控制则是不言

2、而喻的。因此，能够同时具备高速和重载条件的机器人系统不论从其结构还是动力学性能方面必有其特殊性，值得重点研究。与传统的工业机器人不同，高速重载机器人末端负载重，工作速度快，在运动过程中产生的惯性力和动载荷大，对机器人系统会产生强烈的冲击，使得构件的弹性变形以及末端件的抖动已不容忽视，而采用传统的刚体动力学的方法对机器人系统进行分析已不能满足工作要求，会引起较大的分析误差。而且，在动力学分析中，由于构件大位移运动与弹性变形存在强非线性惯性耦合，改变了构件的固有惯性特性，使问题变得十分复杂。因此，我们必须寻求适用于现代机械发展的方法来对高速重载机器人进行运动学和动力学分析。本课题以A

3、BB公司的IRB760型高速重载四自由度机器人为例，重点研究高速和重载两个条件对机器人系统动态特性的影响，揭示构件在高速重载运动条件下表现出的动力学行为，进而为系统的动态优化设计提供指导。.1.2高速重载机器人的发展现状所谓高速重载工业机器人，一般是指末端峰值线速度达到1m/s以上，腕部有效负载在100kg以上的工业机器人，为减少关节部件负荷，一般均带有平衡装置，负载自重比在1：2~1：8之间[1]。与轻载机器人的负载-自重比（一般在1:15～1:40之间）相比，重载机器人由于负载-自重比较高，在本体结构设计和动态性能实现等方面有较高难度。由于高速重载机器人具有运行速度快、负载能

4、力大、重复精度高等特点，因此适合柔性化生产，多用于重型机械制造业、汽车制造业，冶金和物流等行业。主流重载工业机器人一般具有4～6个自由度，负载范围100kg～500kg。其中汽车制造业应用量较多的是负载范围在120kg～200kg之间的机器人，多用于生产线的点焊。见图1-1a)和图1-1b)；而冶金，物流行业常用的搬运机器人负载范围在250kg～500kg之间，见图1-1c)和图1-1d)。随着实际应用需求的不断增加，重载工业机器人的负载能力不断加大，继2009年KUKA推出负载1000kg的Titan重载机器人图1-1e)之后，2010年上海世博会FANUC又展出了其负载高达1

5、350kg的重载机器人图1-1f)[1]。从外部结构看，配重的增加是重载工业机器人工作稳定的一个保证，除此之外，对精度的保证和电机功耗方面技术的研究也至关重要，甚至决定了产品的市场占有率，因此相关资料也相对保密。..第2章刚柔耦合系统动力学建模方法及原理2.1引言刚柔耦合动力学是在航空航天、机器人、机械系统、地面车辆、兵器工业等领域向轻质、高速、大型、高精度和复杂方向发展，以提高运作效率、减小能量耗损、适应复杂运行环境能力等背景下产生的，是在高新技术工程应用和市场竞争的背景下发展起来的，并与迅速发展起来的计算机技术密不可分。目前工程中复杂系统的部分构件大多已采用轻质柔性材料，这是

6、因为系统的运行速度越来越快，对运行精度的要求也越来越高，系统的动力学性态越来越复杂，仅仅将部件视为刚体假设的多刚体系统动力学已经无法解释系统动力学性态的复杂性，因此必须考虑部件受惯性力所产生的变形和构件本身的变形[14]。这就需要用到刚柔耦合多体系统动力学的理论。刚柔耦合多体系统是指由多个刚体或柔性体通过一定方式相互连接构成的复杂系统，是在多刚体系统动力学基础上的延伸。主要研究的是柔性体的变形与其大范围空间运动之间的相互作用和相互耦合，以及这种耦合所导致的动力学效应[15]。因此，这就注定了刚柔耦合多体系统动力学是一门既区别于刚体动力学又区别于结构动力学的新兴交叉学科，其本质是研

7、究模型的耦合特性。.2.2建模的理论基础组成机械系统的构件间一定存在着相对运动，如移动、转动或其他形式的运动副。将构件视为刚性体时，构件的运动也视为刚性运动，即构件上任意两点之间的距离在全部时间和全部位形上都保持常数。像这样的刚体构件在空间的运动可由6个广义坐标完全描述；而将构件视为柔性体时，其上任意两点之间的距离在全部时间和全部位形上已不是常数，即6个广义坐标就不足以描述它在空间的运动。在刚柔耦合模型进行运动时，除了具有大位移的刚性运动外，还有小的弹性变形运动，形成构件的整体运