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4-DOF关节式码垛机器人本体设计与运动学分析
作 者: 李爱成
导 师: 唐火红
学 校: 合肥工业大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 码垛机器人 运动学 动力学 有限元分析
分类号: TP242
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要
机器人具有高柔性、高效性与高可靠性的特点,使其成为越来越多行业中的关键设备,尤其是在现代物流码垛系统中的应用。近年来,应用于物流码垛的码垛机器人受到国内外的普遍重视,已成为机器人应用领域研究的一个热点。但国内对码垛机器人的设计研究与国外仍有一定的差距,因此,提高码垛机器人的设计与研究能力具有重大意义。本文在中国科学院新兴战略产业项目的资助下,开展了四自由度关节式码垛机器人的结构设计、运动学分析、动力学分析、瞬态动力学分析和关键零部件的强度与刚度校核工作。首先充分调研国内外码垛机器人的发展状况。根据项目任务书的要求,分析同类型机器人的结构特征,确定码垛机器人整体构型,关节结构和驱动形式。根据载荷和运动特点,完成电机和减速机的选型计算,以SolidWorks等数字化软件为基础,详细设计机器人的机械结构。采用D-H方法建立码垛机器人连杆坐标系和转换矩阵,利用Matlab编程建立一种程序化的运动学方程,通过输入不同变量可以迅速对运动学特征参数进行优化设计。求解得到机器人的运动学反解和雅可比矩阵,完成机器人运动空间的仿真。在此基础上,运用牛顿-欧拉递推方法对机器人进行动力学分析,建立动力学方程,利用Matlab软件编程求出各个关节的驱动力矩。应用COSMOS Motion软件对码垛机器人进行动力学仿真,得到各关节驱动力矩的变化曲线,验证理论推导的准确性及相应关节电机和减速机选型的合理性,并完成机器人零部件的加工与机械本体的装配。最后,根据码垛机器人的运行工况,应用ANSYS对本体及关键零部件进行瞬态动力学分析和静力学分析。根据得到的位移和应力云图,对机器人的刚度和强度做出评价,同时也为改进机器人的结构设计提供了理论依据。
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全文目录
摘要 5-6 ABSTRACT 6-8 致谢 8-15 第一章 绪论 15-22 1.1 引言 15 1.2 码垛机器人的特点与分类 15-18 1.2.1 码垛机器人的特点 15-16 1.2.2 码垛机器人的分类 16-18 1.3 码垛机器人的国内外研究现状 18-20 1.3.1 国外码垛机器人发展现状 18-19 1.3.2 国内码垛机器人发展现状 19-20 1.4 课题来源与意义 20 1.5 本文主要研究内容 20-21 1.6 本章小结 21-22 第二章 机器人机械本体设计 22-34 2.1 引言 22 2.2 码垛机器人本体的构型分析 22-24 2.2.1 码垛机器人技术参数 22 2.2.2 码垛机器人总体设计 22-24 2.3 驱动系统的选型 24-28 2.3.1 电机的种类 24-25 2.3.2 减速机的种类 25-28 2.4 码垛机器人关节的详细设计 28-33 2.4.1 回转关节T轴的设计 28-30 2.4.2 旋转关节S轴的设计 30-33 2.5 本章小结 33-34 第三章 运动学分析 34-47 3.1 引言 34 3.2 刚体位姿的描述 34-36 3.2.1 位置的描述 34 3.2.2 方位的描述 34-35 3.2.3 位姿的描述 35 3.2.4 刚体的复合变换 35-36 3.3 机器人的连杆坐标系 36-37 3.4 机器人的正运动学分析 37-41 3.5 机器人的逆运动学分析 41-43 3.6 机器人的雅可比矩阵 43-45 3.6.1 微分变换法构造雅可比矩阵 43-44 3.6.2 码垛机器人的雅可比矩阵 44-45 3.7 工作空间分析与仿真 45-46 3.8 本章小结 46-47 第四章 动力学分析与仿真 47-62 4.1 引言 47 4.2 牛顿—欧拉法递推动力学方程 47-49 4.2.1 动力学逆问题的分析方法 47 4.2.2 牛顿-欧拉方程 47-48 4.2.3 惯性张量 48 4.2.4 牛顿-欧拉递推算法 48-49 4.3 码垛机器人的动力学方程 49-53 4.3.1 机器人第四关节T轴驱动力矩 51-52 4.3.2 机器人第三关节U轴驱动力矩 52 4.3.3 机器人第二关节L轴驱动力矩 52-53 4.3.4 机器人第一关节S轴驱动力矩 53 4.4 码垛机器人动力学仿真 53-54 4.4.1 COSMOS Motion软件介绍 53-54 4.4.2 Motion动力学仿真的方法与步骤 54 4.5 码垛机器人动力学仿真过程 54-56 4.5.1 机器人SolidWorks建模与装配 54-55 4.5.2 主运动的定义 55 4.5.3 仿真定义 55 4.5.4 码垛机器人动力学仿真结果分析 55-56 4.6 L轴与U轴的驱动系统选型计算 56-59 4.6.1 L轴驱动系统选型计算 56-57 4.6.2 U轴驱动系统选型计算 57-58 4.6.3 S轴与T轴驱动系统选型验证 58-59 4.7 机器人的三维图与实物图 59-61 4.8 本章小结 61-62 第五章 关键零部件的有限元分析 62-72 5.1 引言 62 5.2 ANSYS软件的介绍 62-63 5.3 机器人的瞬态动力学分析 63-65 5.3.1 瞬态动力学分析 63-64 5.3.2 作业条件下机器人的载荷分析 64-65 5.4 机器人瞬态动力学结果分析 65-68 5.4.1 第一种工况的瞬态动力学结果分析 65-67 5.4.2 第二种工况的瞬态动力学结果分析 67-68 5.5 机器人关键销轴的静力学分析 68-71 5.5.1 销轴5的有限元分析 69-70 5.5.2 销轴7的有限元分析 70 5.5.3 销轴9的有限元分析 70-71 5.6 本章小结 71-72 第六章 总结与展望 72-74 6.1 总结 72-73 6.2 展望 73-74 参考文献 74-77 攻读学位期间取得的学术成果 77
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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