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多机械臂协同加工系统静刚度建模与优化研究

发布时间:2020-06-11

随着机器人技术的快速发展,多机械臂协同加工是未来机器人发展的重要方向。刚度是影响机器人精度和动态性能的主要参数,本文以多臂协同加工系统为研究对象,对多臂协同系统的静刚度建模与优化进行了研究。


首先,针对多台UR机械臂组成的多臂协同加工制造系统,应用D-H 法建立其运动学模型。采用微分变换法,构造机械臂的运动雅可比矩阵和力雅可比矩阵。根据多臂系统的协调任务形态,建立机械臂协调运动的姿态约束方程。基于改进的蒙特卡洛法对多臂系统的协同工作空间进行分析,为后续的刚度研究奠定了基础。


提出多机械臂协同系统静刚度的概念,并对该理论模型进行推导。首先综合关节柔性与臂杆柔性的影响,建立机械臂单元的综合刚度模型。应用虚集中惯性质量棒原理对多臂协同系统的多闭环变形约束链进行力-变形解耦,推导出多臂协同系统的通用静刚度模型。在ADAMS 中建立多臂协同系统虚拟样机,对提出的系统静刚度模型进行仿真验证。基于有效性验证的基础上,对多臂系统与单臂系统刚度性能进行对比。最后设计一组仿真实验,分析加载点变化对多臂协同系统刚度的影响。


对多臂协同系统的刚度性能进行研究,针对系统刚度模型的多种应用场景,提出多臂系统刚度椭球、单元刚度力分配椭球和基于任务方向的刚度椭球重合度三种刚度性能指标。基于多臂协同系统的冗余特性,以任务方向的刚度椭球重合度指标为优化目标,采用遗传算法对多臂协同加工系统进行了刚度性能优化。对优化结果进行验证,结果表明该优化方法有助于提升多臂系统的刚度性能和提高系统稳定性。


基于两台UR 机械臂搭建双臂协同系统实验平台,采用静变形间接测量法设计了关节刚度辨识实验,并确定UR 机械臂的关节刚度参数。设计多臂协同系统刚度验证实验,结果表明多臂系统静刚度模型的有效性。最后对UR 机械臂组成的双臂夹持系统进行姿态优化,通过实验对优化结果进行了验证,证明该刚度优化方案的可行性。


关键词:多臂协同加工系统;多臂协同静刚度;刚度性能指标;刚度优化
备注:本文出自上海大学机电工程与自动化学院 汪博文 硕士学位论文《多机械臂协同加工系统静刚度建模与优化研究》如有侵权,请联系我们删除。

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