摘 要
重載工業機器人能代替人工在高危惡劣的環境下進行重載作業，具有負載大、工作效率高、穩定性好等優勢。針對于廣泛應用的重載工業機器人而言，如何保障工作性能是該領域的研究熱點之一。本文以提高重載工業機器人的性能為目標，開展重載工業機器人概念設計、運動學與動力學分析、性能指標分析、軌跡規劃等方面的研究，論文的主要工作內容與研究成果如下：
針對各個工程領域對高性能重載工業機器人的應用需求，考慮機器人本體自重、負載能力、結構剛度和工作空間等設計要求，以結構平衡設計、輕量化設計以及可重構設計為思路，對高性能重載工業機器人進行概念設計，提出一系列重載工業機器人構型方案。以層次分析法為理論基礎，從本體自重、負載能力、所占空間、機構剛度、受力性能及工作空間六方面對設計的構型方案進行分析和評價，分析遴選出最優方案連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人作為研究對象。
對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人進行運動學分析，采用 D-H 法建立機器人結構參數模型，求解機器人運動學正解和反解，分析各關節的角位移、角速度、角加速度和角躍度。采用蒙特卡洛隨機采樣法分析機器人的工作空間，得到機器人工作空間的立體圖。在給定特定的運動軌跡與運動周期條件下對運動學模型進行計算仿真，驗證機器人的運動趨勢。
采用拉格朗日方程法分別對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與典型雙平行四邊形重載工業機器人進行動力學建模，分析機器人各桿件的動能和勢能，推導機器人系統剛體動力學方程中慣量矩陣、Coriolis 力和離心力矩陣以及重力項矩陣，求解各關節驅動力矩的表達式。給定機器人結構參數對這兩種結構機器人動力學進行計算仿真并對比分析仿真結果。
從運動學、動力學的角度考慮，提出各關節力矩、條件數、承載能力、功率和能耗等指標對連桿-絲桿傳動平衡式重載工業機器人進行性能評估。以重載碼垛任務為例對機器人進行基于能耗最優的軌跡規劃，以機器人運行過程中消耗的總能量為目標函數，以運行時間、電機轉速及電機輸出力為約束，同時考慮減少機器人末端殘余振動，保證運行結束時機器人末端的加速度為零，運用龍格庫塔方法與多重打靶法在全局范圍內求取能耗最低的運動軌跡并進行仿真分析。結果表明進行能耗最優軌跡規劃后機器人的總能耗明顯降低。
分別將 Solid Works軟件中建立的連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人三維模型導入 ADAMS軟件中建立其虛擬樣機模型，導入測試數據對兩種重載工業機器人進行虛擬樣機仿真，包括運動學仿真與動力學仿真。仿真結果與理論模型趨勢一致，從而驗證了理論模型的正確性。
關鍵詞 ： 重載工業機器人；概念設計；運動學；動力學；性能評估；軌跡規劃。
ABSTRACT
Heavy duty industrial robot can replace manual work in high-risk and harshenvironment. It has the advantages of large load, high efficiency and good stability.
For the widely used heavy duty industrial robot, how to guarantee the workingperformance is one of the research hotspots in this field. In order to improve theperformance of heavy-duty industrial robot, this paper studies the conceptual design,kinematics and dynamics analysis, performance index analysis and trajectory planningof heavy-duty industrial robot. The main contents and research results are as follows:
According to the application requirements of high-performance heavy-dutyindustrial robots in various engineering fields, considering the designrequirements of robot body weight, load capacity, structural stiffness andworkspace, the conceptual design of high-performance heavy-duty industrialrobot is carried out based on the idea of structural balance design, lightweightdesign and reconfigurable design, and a series of configuration schemes ofheavy-duty industrial robot are proposed. Based on the analytic hierarchy process(AHP), this paper analyzes and evaluates the design scheme from six aspects:
body weight, load capacity, occupied space, mechanism stiffness, mechanicalperformance and workspace, and selects the optimal scheme connecting rod leadscrew drive balanced heavy-duty industrial robot as the research object.
Kinematics analysis of balanced heavy-duty industrial robot driven by connectingrod and lead screw is carried out. The D-H method is used to establish thestructure parameter model of the robot. The forward and inverse kinematicssolutions of the robot are solved, and the angular displacement, angular velocity,angular acceleration and angular jump of each joint are analyzed. Monte Carlorandom sampling method is used to analyze the workspace of the robot, and thestereogram of the workspace is obtained. The kinematics model is simulated in agiven trajectory and period to verify the movement trend of the robot.
Lagrange equation method is used to model the dynamics of the balancedheavy-duty industrial robot driven by connecting rod and lead screw and thetypical double parallelogram heavy-duty industrial robot. The kinetic energy andpotential energy of each link of the robot are analyzed. The inertia matrix,Coriolis force, centrifugal force matrix and gravity term matrix in the rigid bodydynamics equation of the robot system are derived, and the expressions of drivingtorque of each joint are solved. Given the structure parameters of the robot, thedynamics of the two kinds of structure robots are calculated and simulated, andthe simulation results are compared and analyzed.
From the perspective of kinematics and dynamics, the joint torque, conditionnumber, carrying capacity, power and energy consumption are proposed toevaluate the performance of the link screw drive heavy-duty industrial robot.
Taking the heavy load palletizing task as an example, the trajectory planning of the robot based on the optimal energy consumption is carried out. The totalenergy consumed during the operation of the robot is taken as the objectivefunction, and the running time, motor speed and motor output force are taken asconstraints. At the same time, the residual vibration at the end of the robot isconsidered to reduce to ensure that the acceleration at the end of the operation iszero, The Runge Kutta method and multiple shooting method are used to obtainthe lowest energy consumption trajectory in the global range, and the simulationanalysis is carried out. The results show that the total energy consumption of therobot is significantly reduced after energy consumption optimal trajectoryplanning.
The three-dimensional models of connecting rod lead screw drive balancedheavy-duty industrial robot and double parallelogram heavy-duty industrial robotestablished in Solid Works software are imported into ADAMS software toestablish their virtual prototype models. The test data are imported to simulate thevirtual prototype of the two heavy-duty industrial robots, including kinematicssimulation and dynamics simulation. The simulation results are basicallyconsistent with the trend of the theoretical model, which verifies the correctnessof the theoretical model.
Keywords : Heavy duty industrial robot; Conceptual design; Kinematics; Dynamics;Performance evaluation; Trajectory planning。
第一章 緒論
1.1、課題研究背景及意義。
重載工業機器人具有大負載、高效率、高穩定性等優勢，可以用于高危惡劣的環境下代替人工工作[1]，在機械加工、自動化生產、智能制造、物流運輸、電子電器等各行各業中發揮著至關重要的作用[2]。近些年，自動化產業發展迅速，自動化生產線對重載工業機器人的性能和功能等方面也提出更高要求，因此，如何有效提高重載工業機器人的性能是目前機器人學的研究熱點之一。
重載工業機器人性能的研究領域涉及多個學科，在機械結構方面，傳統的重載工業機器人大多是單臂剛性結構，隨著工業領域對機器人末端負載需求的提高，這類機構的局限性逐漸突顯出來，不平衡布局的單臂結構導致機器人在工作過程中穩定性差，而剛性桿件會增大機器人的本體重量。為了避免這些問題，從結構上改善機器人的性能引起了人們的關注。對重載工業機器人進行結構平衡設計可以提高平衡性和穩定性[3]，采用輕質繩索代替部分剛性桿件對重載工業機器人進行輕量化設計可以提高負載自重比[4][5]，對重載機器人進行可重構設計可以提高功能的多樣性[6]。在軌跡規劃方面，目前大多數工作著重于提高機器人精度及速度，對于機器人能耗的關注較少，為了響應我國“資源節約型”社會，從能耗最優的角度考慮軌跡規劃問題也是尤為重要的。因此，針對重載工業機器人結構方面的缺陷對機器人進行機構設計，從結構上提高機器人的性能是一種有效的設計方法，基于能耗最優對機器人進行軌跡規劃對提高機器人操作性能具有重要的研究價值和實際意義�；诖吮尘�，本文對于重載工業機器人機構設計及性能保障的相關研究工作應運而生。
本文對重載工業機器人進行機構設計，以運動學、動力學分析為理論基礎提出具有明顯物理意義的性能指標，以能耗最優為目標對機器人進行軌跡規劃。目的在于設計一種高性能重載工業機器人，研究高性能工業機器人性能保障相關的理論方法與技術，對后續機器人結構性能和操作性能方面的研究提供參考與借鑒。
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1.2 國內外研究現狀.
1.2.1 重載工業機器人發展概況.
1.2.2 重載工業機器人結構設計.
1.2.3重載工業機器人性能指標
1.2.4 重載工業機器人軌跡規劃.
1.2.5 虛擬樣機技術.
1.3 課題主要研究內容.
第二章 重載工業機器人概念設計.
2.1 引言.
2.2重載工業機器人設計目
2.3概念設計.
2.3.1結構平衡設計.
2.3.2輕量化設計.
2.3.3 可重構設計.
2.4方案分析與評價.
2.4.1 評價方法.
2.4.2評價模型.
2.4.3評價結果.
2.5本章小結.
第三章 重載工業機器人運動學分析.
3.1 引言.
3.2機器人結構參數建模.
3.2.1剛體位姿描述方法.
3.2.2連桿參數和關節變量.
3.3重載工業機器人運動學正解.
3.3.1機構描述.
3.3.2運動學正解
3.4重載工業機器人運動學反解.
3.5工作空間分析
3.6算例仿真.
3.7本章小結
第四章 重載工業機器 人動力學分析.
4.1引言.
4.2動力學分析方法簡述.
4.3機器人剛體動力學模型.
4.3.1連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人動力學建模
4.3.2 雙平行四邊形重載工業機器人動力學建
4.4 動力學算例
4.5本章小結.
第五章 重載工業機器 人性能評估.
5.1引言.
5.2性能指標分析.
5.2.1運動學性能.
5.2.2動力學性能.
5.3算例仿
5.4本章小結.
第六章 重載工業機器 人能耗最優軌跡規劃
6.1 引言.
6.2基于能耗最優軌跡規劃的數學描述.
6.2.1問題描述
6.2.2能耗最優軌跡規劃求解.
6.3軌跡規劃仿.
6.4本章小結.
第七章 重載工業機器 人虛擬樣機仿真
7.1 引言
7.2重載工業機器人虛擬樣機建
7.3虛擬樣機仿
7.4本章小結.
第八章 全文總結
本文以提高重載工業機器人結構性能與操作性能為目標，首先從結構方面考慮機器人本體自重、負載能力、結構剛度和工作空間等設計要求，對重載工業機器人進行概念設計，包括結構平衡設計、輕量化設計和可重構設計，提出一系列高性能重載工業機器人構型方案并分析遴選出性能最優的設計方案作為本文研究對象。其次，對研究對象進行理論分析，包括運動學分析、動力學分析與性能指標分析等相關研究，根據重載工業機器人運動學與動力學模型，提出具有明顯物理意義的性能指標進行性能評估。然后，針對重載工業機器人能耗大的問題，對其進行基于能耗最優的軌跡規劃。最后，通過搭建重載工業機器人的虛擬樣機模型對理論進行驗證。全文得到以下結論：
(1)構型設計方面
針對各個工程應用領域對高性能重載工業機器人的需求，考慮機器人本體自重、負載能力、結構剛度和工作空間等設計要求，以結構平衡設計、輕量化設計以及可重構設計為思路，對高性能重載工業機器人進行結構設計。提出一系列重載工業機器人構型方案，并分析遴選出結構性能最優的構型。以層次分析法為理論基礎，從本體自重、負載能力、所占空間、機構剛度、受力性能及工作空間六方面對設計的構型方案進行分析和評價，得到各個構型方案的最終評估值，分析出結構平衡設計方案四(連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人)為高性能重載工業機器人的優選結構。
(2)理論建模方面
根據齊次變換法描述重載工業機器人的末端位姿，采用 D-H法建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人結構參數模型，求解機器人運動學正解和運動學反解，分析各關節的角位移、角速度、角加速度和角躍度。采用蒙特卡洛隨機采樣法分析機器人的工作空間，得到機器人工作空間的立體圖以及XOY方向和XOZ方向的投影圖。采用拉格朗日方程法分別建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人的剛體動力學模型，通過動力學模型發現，作用于這兩種重載機器人各個關節的驅動力矩是一個關于關節角度、關節角速度以及關節角加速度的函數。根據動力學仿真結果對比分析可知，經過結構平衡設計的連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人各關節力矩明顯小于典型雙平行四邊形重載工業機器人。
(3)性能評估方面
考慮機器人末端速度對關節速度的影響，將雅可比矩陣行列式與條件數作為重載工業機器人的運動學性能指標。以重載工業機器人大能耗的特性為基礎，將功率、能耗指標作為重載工業機器人的動力學性能指標。從機器人承載能力的物理意義出發，提出一種能直觀顯示描述機器人各個關節在各個位姿下力矩大小的靜負載指標，并將靜負載指標用于評估重載工業機器人的承載能力。對比分析連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人的各項性能指標，結果表明在大多數位姿狀態下，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人的運動學性能要優于典型雙平行四邊形重載工業機器人。在動力學性能方面，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人各關節的功率明顯小于雙平行四邊形重載工業機器人。在靜負載指標方面，連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人也要優于雙平行四邊形重載工業機器人。
(4)軌跡規劃方面
對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人能耗最優軌跡規劃問題進行數學描述，以機器人運行過程中消耗的總能量為目標函數，以運行時間、電機轉速及電機輸出力為約束，同時考慮減少機器人末端殘余振動，保證運行結束時機器人末端的加速度為零，將機器人軌跡規劃問題轉化為求解泛函極值的問題，運用龍格庫塔方法與多重打靶法在全局范圍內求取能耗最低的運動軌跡。對能耗最優軌跡規劃與七次多項式軌跡規劃的路徑與能耗進行仿真并分析，結果表明進行能耗最優軌跡規劃后機器人的總能耗明顯降低，并通過能耗曲線分析能耗降低的原因：進行能耗最優軌跡規劃后的能耗增加較為穩定，而七次多項式軌跡能耗曲線即功率的變化波動較大。
(5)虛擬樣機方面
在 Solid Works軟件中分別建立連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人三維模型，將建好的模型導入ADAMS軟件中，添加機器人各零部件機械配合關系相對應的約束關系，從而搭建連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人的虛擬樣機。導入測試數據對連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人進行虛擬樣機仿真，包括運動學仿真與動力學仿真。仿真結果驗證了前文連桿-絲杠傳動平衡式重載工業機器人與雙平行四邊形重載工業機器人理論模型的正確性。
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