（机械电子工程专业论文）喷涂机器人的cae分析和结构优化.pdf

摘要 摘要 喷涂机器人可以有效改善喷涂工人的劳动环境，提高喷涂的效率和质量。目前， 我国喷涂机器人主要依赖进口，自主研究和开发喷涂机器人对满足国内市场的需要 以及形成我国的工业机器人产业化具有十分重要的意义。本文针对自主研发喷涂机 器人中遇到的电机选型、结构强度刚度等问题，开展了动力学分析以及结构的轻量 化方面的研究。文中所做的工作，对喷涂机器人的开发有很好的促进作用。 首先，采用虚拟样机进行了喷涂机器人的动力学分析。在c a d 模型的基础上 建立了喷涂机器人虚拟样机模型，然后利用该动力学模型搜索出机器人工作空间内 的各个关节的峰值力、扭矩和峰值功率。 其次，解决了喷涂机器人本体的结构设计中必须考虑的电机选型问题。以动力 学分析中得到关节的峰值力矩作为电机的驱动负载，利用标准化扭矩转速 ，舢即，一图表示电机的性能，完成了电机的选择，该方法也可直接扩展应用于含 减速器的电机选型中。 再次，分析了设计的喷涂机器人本体主要部件的强度和刚度。以动力学分析中 得到关节的峰值力、力矩作为结构分析的边界条件，利用a b a q u s 软件进行了主要 部件强度和刚度的分析，分析结果表明满足设计要求。 最后，对喷涂机器人本体的大臂进行轻量化设计。利用拓扑优化对设计的大臂 进行优化。根据原大臂结构和实际的工况，选取了拓扑优化的基模型，并分两种目 标对大臂进行了拓扑优化设计，得到了大臂的材料最优分布图，为大臂的二次设计 提供了指导方向。经过大臂进行了结构分析比较，结果表明在结构刚度没有较大改 变的情况下，实现了大臂的轻量化。 关键词：喷涂机器人；动力学分析；a d a m s ；结构优化；h y p e r w o r k s 广东工业大学硕士学位论文 a bs t r a c t w o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dt h ee f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fs p r a y i n gc a l lb ei m p r o v e d b yu s i n gs p r a y i n gr o b o t a tp r e s e n t ，s p r a y i n gr o b o t sb e i n gu s e di nc h i n am a i n l yr e l yo n i m p o r ta n dt h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ti m p o r t a n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o ps p r a y i n gr o b o t s i n d e p e n d e n t l yt o m e e tt h ed o m e s t i cd e m a n d sa n dt of o r mt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h e i n d u s t r i a lr o b o t si nc h i n a t h i st h e s i s ，c o n t r a p o s i n gt h ep r o b l e m se m e r g i n gi nt h e p r o c e s so fr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gs p r a y i n gr o b o t si n d e p e n d e n t l y ，s u c ha sm o t o r s e l e c t i o n ，s t r u c t u r a ls t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa n de t c ，r e s e a r c h e st h ed y n a m i c a la n a l y s i s a n dl i g h t w e i g h to fs t r u c t u r e t h ee f f o r t sih a v em a d ei nt h i st h e s i sw i l lb eo fg o o d p r o m o t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to fs p r a y i n gr o b o t s f i r s t l y ，v i r t u a lp r o t o t y p i n gi sa p p l i e dt oad y n a m i c a la n a l y s i so fs p r a y i n gr o b o t s a v i r t u a lp r o t o t y p i n gm o d e lo fs p r a y i n gr o b o ti ss e tu po nt h eb a s i so fc a dm o d e l t h e n t h ed y n a m i cm o d e li sa p p l i e dt of i n do u tt h ep e a kf o r c e ，t o r q u ea n dp c a kp o w e ro f e a c h j o i n to fs p r a y i n gr o b o ti ni t sw o r k i n gs p a c e s e c o n d l y ，t h ep r o b l e mo fm o t o rs e l e c t i o n ，w h i c hm u s tb ec o n s i d e r e di nt h es t r u c t u r e d e s i g no fas p r a y i n gr o b o ti t s e l f , i ss o l v e d m o t o rs e l e c t i o ni sa c c o m p l i s h e db yt a k i n gt h e j o i n tp e a kf o r c ea n dt o r q u ef r o m t h ed y n a m i c a la n a l y s i sa sm o t o rd r i v el o a da n da p p l y i n g t h es t a n d a r d i z e dt o r q u es p e e dm a po f ，啊烈川，胍t od i s t i n g u i s ht h ep e r f o r m a n c eo f m o t o r s ，a n dt h i sm e t h o dc a l lb ea l s oa p p l i e dt ot h es e l e c t i o no fm o t o r si n c l u d i n g r e d u c e r s t h i r d l y ，t h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h em a i np a r t so ft h es p r a y i n gr o b o td e s i g n e d i sa n a l y z e d t h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo ft h em a i np a r t si sa n a l y z e db ye m p l o y i n ga b a q u s a n dt a k i n gt h ej o i n tp e a kf o r t ha n dt o r q u ef r o mt h ed y n a m i c a la n a l y s i sa st h eb o u n d a r y c o n d i t i o no fs t r u c t u r a la n a l y s i s ，a n dt h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es p r a y i n gr o b o t m e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，t h ec r i t i c a la r mh a sb e e nd e s i g n e db ym e a n so ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o ni n o r d e rt ob a l a n c et h ed e m a n d sf o rh i g hs t i f f n e s sa n ds t r e n g t h 、以t hl o ww e i g h t t h e o p t i m i z i n ga n a l y s i s i s a p p l i e dt o t h ea r mb ye m p l o y i n gt o p o l o g yo p t i m i z a t i o n a c c o r d i n gt ot h eo r i g i n a la m s t r u c t u r ea n da c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n , t h eb a s em o d e lo f a b s t r a c t t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o ni ss e l e c t e d ，a n dt o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o ni sa p p l i e dt ot h ea r n l b ys e t t i n gt w og o a l st oc o m p a r et h er e s u l t ，a n dt h et o p o l o g i c a lm a po ft h eo p t i m a ll a y o u t o ft h ea r m m a t e r i a l s ，w h i c hp r o v i d e st h ed i r e c t i o n f o rt h er e d e s i g n i n g a f t e rr e u s i n g a b a q u st oa n a l y z ea n dc o m p a r et h es t r u c t u r eo ft h er e d e s i g n e da r m ，t h en e wa r mi s a c t u a l l yl i g h t e n e do nt h ec o n d i t i o nt h a ts t r u c t u r a lr i g i d i t yi sn om a j o rc h a n g e k e yw o r d s ：s p r a y i n gr o b o t ；d y n a m i ca n a l y s i s ；a d a m s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ； h y p e r w o r k s 1 1 i c o n t e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) i i i c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do fr e s e a r c h 1 1 1 1t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lr o b o t s 1 1 1 2t h ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h es p r a y i n gr o b o t 2 1 2r e s e a r c ho ft h es p r a y i n gr o b o t 4 1 3t h er o b o t i c so fs p r a y i n gr o b o t ：5 1 4s u b j e c ts o u r c e sa n ds i g n i f i c a n t 6 1 4 1s u b j e c ts o u r c e s 6 1 4 2t h es i g n i f i c a n to ft h er e s e a r c h 7 1 5t h eo r g a n i z a t i o n a ls t r u c t u r eo fp a p e r 7 c h a p t e r2t h ed e s i g na n da n a l y s i so ft h es p r a y i n gr o b o t 9 2 1t h es t r u c t u r eo fi n d u s t r yr o b o t 9 2 1 1t h eb a s i cc o m p o s i t i o no f i n d u s t r yr o b o t 9 2 1 2t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d u s t r i a lr o b o t lo 2 2t h es t r u c t u r a ld e s i g no ft h es p r a y i n gr o b o tb o d y 11 2 2 1t h eb a s i cr e q u i r e m e n t so ft h es p r a y i n gr o b o tb o d yd e s i g n 11 2 2 2e x p l o s i o n - p r o o f d e s i g no ft h es p r a y i n gr o b o t 12 2 2 3s p r a y i n gr o b o t sb o d ys t r u c t u r ed e s i g n 13 2 3p e r f o r m a n c ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r e 14 2 4b r i e fs u m m a r y 15 c h a p t e r3d y n a m i ca n a l y s i so fs p r a y i n gr o b o t 16 v i i 广东工业大学硕士学位论文 3 1t h eb a s i ct h e o r yo fd y n a m i ca n a l y s i sf o rr o b o t 16 3 1 1l a g r a n g i a nf u n c t i o n 16 3 1 2d y n a m i ce q u a t i o n so ft h er o b o ts y s t e m 16 3 2r o b o tv i r t u a lp r o t o t y p em o d e l i n g 18 3 2 1t h ei n t r o d u c t i o no fs o f t w a r ea d a m s 18 3 2 2t h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fs p r a y i n gr o b o t 1 9 3 2 3t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e l 21 3 3d y n a m i c ss i m u l a t i o na n a l y s i s 21 3 3 it h ec a l c u l a t i o no fj o i n t s m o t o r 2 2 3 3 2t h el o a dc o n d i t i o n s o f t h er o b o t sp a r t s 2 5 3 4t h ea p p l i c a t i o no fd y n a m i ca n a l y s i s 2 6 3 4 1t h eo v e r v i e wo f t h em o t o rs e l e c t i o n 2 6 3 4 2t h es e l e c t i o no fm o t o r 2 6 3 5b r i e f s u m m a r y 2 8 c h a p t e r4t h es t r u c t u r a la n a l y s i sf o rt h ek e yc o m p o n e n t so fs p r a y i n gr o b o t 3 0 4 1t h eo v e r v i e wo ft h em e t h o d sf o rs t r u c t u r a la n a l y s i s 3 0 4 2t h eo v e r v i e wo ft h ef e m 3 0 4 3t h es t r u c t u r a la n a l y s i so fk e yc o m p o n e n t s 31 4 3 1t h es t a t i ca n a l y s i so ft h er o b o t sb a s e 3 2 4 3 2t h es t a t i ca n a l y s i so f t h er o b o t sw a i s t 3 5 4 3 3t h es t a t i ca n a l y s i so ft h er o b o t sa r m 3 8 4 4b r i e fs u m m a r y 4 2 c h a p t e r5t o p o l o g yo p t i m i z a t i o no ft h es p r a y i n gr o b o t sa r m 4 3 1 ；1o v e r v i e wo fo p t i m a ld e s i g n 4 3 5 2t o p o l o g yo p t i m i z a t i o na n a l y s i sa n di t si m p l e m e n t a t i o n 4 4 5 2 1o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 4 4 5 2 2t h ea p p l i c a t i o no fh y p e r w o r k si nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 4 5 5 3t o p o l o g yo p t i m i z a t i o no fa r m 4 6 5 3 1t h es e l e c t i o no f b a s es t r u c t u r e 4 6 c o n t e n t s 5 3 2t h ef e mo ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 4 7 5 3 3t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 4 8 5 3 4t h er e s u l to ft o p o l o g yo p t i m i z a t i o n 5 0 1 ；4r e d e s i g no fa r ma n di t ss t i f f n e s sa n a l y s i s 5 3 1 ；4 1r e d e s i g no f a r m 5 3 1 ；4 2a r ms t i f f n e s sa n a l y s i so fa r m 5 4 5 5b r i e fs u m m a r y 5 5 c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 5 6 r e r e r e n c e s ! ；8 p u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gg r a d u a t e 6 3 s t a t eo fo r i g i n a l i t y 6 4 a c k n o w l e d g e m e n t s 6 5 i x 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 在现代制造领域，随着工业自动化的快速发展，工业机器人已经成为不可替代 的重要装备和手段，从某种程度来说，工业机器人已经成为衡量一个国家制造水平 和科技水平的重要标志。工业机器人技术是包含了计算机、控制、机构、信息、人 工智能等多个学科的高新技术，它与计算机辅助设计( c a d ) 系统、计算机辅助制 造( c a m ) 系统结合在一起应用，成为现代制造业自动化的最新发展趋势1 。 1 1 1 工业机器人的发展概况 工业机器人在世界各国的定义不完全相同，但是其含义基本一致。i n t e r n a t i o n a l s t a n d a r do r g a n i z a t i o n ( i s o ) 对工业机器人的定义为：工业机器人是一种具有自动 控制的操作和移动功能、能够完成各种作业的可编程操作机。而美国机器人协会 ( r i a ) 认为，机器人是一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置，通过可 编程序的动作来执行各种任务，并具有可再编程能力的多功能机械手( m a n i p u l a t o r ) 。 不管如何定义工业机器人，我们都可以认为工业机器人是一种能自动控制、可重复 编程、多功能，可以代替人完成特定任务的一种自动化机电装置，它是在机械手的 基础上发展起来的。工业机器人的出现将人类从繁重单一的劳动中解放出来，而且 它还能够从事一些不适合人类甚至超越人类的劳动，实现生产的自动化，避免工伤 事故和提高生产效率。广泛采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且 对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动生产率、节约原材料消 耗以及降低生产成本等都具有十分重要的意义。 自从1 9 6 2 年第一台工业机器人在美国诞生后，机器人就展示出其强大的生命 力，经过5 0 多年的迅速发展，工业机器人已经广泛应用于工业生产。根据国际机器 人联合会( i f r ) 的统计( 如图1 1 所示) ，全球运行的工业机器人数量在11o 多万 套。 在国外，工业机器人技术日益成熟，已经成为一种标准设备广泛应用于工业界。 目前已经成型了一批具有很大影响力的工业机器人公司，如：瑞典的a b br o b o t i c s ， 广东工业大学硕士学位论文 德国的k u k ar o b o t e r ，日本的f a n u c ，美国的a d e p tt e c h n o l o g y 公司等，他们占 据了世界工业机器人主要市场。 w o r l d w i d ea n n u a ls u a p t yo fi d i “岍a ir o b o t e 1 9 9 4 2 们o t h i m l l h a f i n n l m i u p p l yo f l l 5 i u l l b l l l l jr o b o 扛l l t y f n a i n t o t a l w o r l db y m | i n i n d m2 0 - o e i , 一w g 愚翦爨爨黑f 。_ 一。_ 一- _ - 一愚黑翦裹愚裹伊_ 穗燕愚烹! 一 一s 黑嬲嗍，- !f n 嬲爨纂_ “” 一_ 一一叫 ，l 图1 - 1 工业机器人的应用情况 f i g 卜ia p p l i c a t i o no fi n d u s t r i a lr o b o t 我国的工业机器人经过2 0 多年的发展已经在产业化进程上有了不小的突破， 目前已基本掌握了机器人本体的设计与制造技术，解决了工业机器人的控制和驱动 等问题，开发生产了喷涂、搬运、装配等机器人。也涌现出一批机器人企业，其中 沈阳新松机器人自动化股份有限公司、一汽集团涂装技术开发中心、国家机械局北 京自动化所工业机器人与应用技术工程研究中心、上海交大海泰科技发展有限公司 等被国家“8 6 3 ”确立为智能机器人主题的9 个产业化基地p 1 ( 见表1 1 ) 。 尽管我国的工业机器人已经有了长足的发展，但是我国的工业机器人技术及其 应用水平在可靠性、应用领域和应用规模上都与国外相比还有不小的差距h 5 1 。主要 原因是我国当前生产的工业机器人零部件通用化程度低、成本高、质量和可靠性差， 没有形成机器人的产业化。我国工业机器人的产业化仍然需要一定的时间的才能够 完成，推进产业化进程需要切实解决产业化前期的关键问题h 1 。 1 1 2 喷涂机器人的应用与发展 喷涂机器人是工业机器人与喷涂工艺相结合可进行自动喷漆或喷涂其他涂料 的工业机器人口6 1 。随着喷涂机器人的技术不断创新，喷涂精度和质量的空前提高， 在世界发达国家喷涂机器人得到了广泛的应用。以机器人为主体的柔性自动喷涂线 代替过去刚性的自动喷涂线，不仅可以适应市场的快速变化，而且可以实现喷涂工 序的自动化、避免由于人工喷涂时对工人的身体危害，也可以提高喷漆质量和稳定 性，同时减少漆料和能量的消耗，提高劳动生产效率。喷涂机器人已经有三十多年 2 的研究和发展历史。国外著名的生产喷涂机器人产品的公司主要有瑞典和瑞士的 a b b ，日本的f a n u c 、k a w a s a k i 等，他们生产的喷涂机器人广泛应用于汽车、 电子电器、工程机械等行业的涂装生产线上。 表卜1 国内主要研发单位工业机器人研发应用情况3 1 t a b 1 - 1t h er & d a p p l i c a t i o no fd o m e s t i ci n d u s t r i a lr o b o t 研究机构系列产品研发、应用情况备注 沈阳新松机器人自动弧焊、码垛、水切割弧焊、冲压、a g v 运机器人技术国家工程 化股份有限公司 机器人、特种机器人、 输、装配等研究中心 自动化生产线、a g v用于汽车航空、机械“8 6 3 ”产业化基地 小车等行业 北京机械自动化研究p j 系列喷涂机器人完成喷涂、焊接、涂共装配7 0 多条自动生 所p m 系列自动喷涂机胶、装配等；用于汽产线和工作站 弧焊、搬运等机器人车、陶瓷医药等行业“8 6 3 ”产业化基地 哈尔滨博实自动化设自动包装码垛生产线自动称重、包装码垛“8 6 3 ”产业化基地 备有限公司点、弧焊机器人生产线 管道、爬壁机器人用于石油、化工等 四川绵阳四维焊接自t f 系列弧焊机器人弧焊生产线“8 6 3 ”产业化基地 动化设备有限公司焊接机器人工程应用用于汽车、摩托车、 电器开关 上海机电一体化工程机器人焊接、自动化用移动机器人、板材“8 6 3 ”产业化基地 有限公司生产线f m s 等，用于机械、 汽车、电器等 我国传统的喷涂作业以自动喷涂机和人工喷涂为主，这种喷涂方式存在较多的 问题：( 1 ) 喷涂时产生的大量对环境和人体有害的物质和气体，对操作员的身体 健康和劳动情绪造成很大影响：( 2 ) 涂层质量不稳定，均匀性差，浪费涂料；( 3 ) 精准性低，喷涂质量完全是由人工凭经验控制，稳定性低。自动喷涂机虽然可以克 服这一情况，自动喷涂机大多存在控制精度不够、柔性低、喷涂轨迹单一化、浪费 油漆等缺点。我国喷涂机器人的研发水平落后国外，直到1 9 9 1 年，在北京机械工业 自动化研究所的努力下，我国的第一条机器人自动喷漆线东风系列驾驶室多品 3 广东工业大学硕士学位论文 种混流机器人自动喷漆生产线才设计完成p 1 ，随着我国工业自动化特别是汽车行业 的发展，喷涂机器人的应用越来越广泛。上海通用汽车有限公司阻、武汉神龙汽车 有限公司等运用喷涂机器人技术进行了整车的涂装，喷涂机器人也应用于铁路车 厢喷涂m 1 以及管道喷涮1 3 j4 1 等领域。 由于国内汽车制造业和大型的机械制造业的发展和需求，我国的许多汽车厂家 和制造业公司也正在开发和研究适合自己的喷涂机器人，同时许多国外知名喷涂机 器人厂家纷纷与国内企业合作或者在国内设立分公司，我国的喷涂机器人进入了一 个快速发展的时期。 1 2 喷涂机器人的研究现状 机器人喷涂在国外已经比较成熟，对于喷涂机器人的研究可以分为三个方面： 机器人技术、喷涂工艺以及他们的结合。机器人技术的研究主要集中在喷涂手腕的 研究上面5 j 6 1 及其结构优化：d a es u nh o n g 7 1 对新设计的三轴手腕进行了动态分析并 进行了结构优化。机器人的喷涂运动轨迹的规划难度很大，是喷涂机器人研究的热 点。j o n e s p d a 8 1 提出了一种最大限度的减少热喷涂表面沉积的机器人喷涂最优 路径的方法；h e r t l i n g ，p 等钉介绍了一种能够在任意曲面上生成喷涂轨迹的方法。 g s t e w o l d e 伫伽研究了包含喷涂成型工艺的轨迹规划问题：将复杂零件的曲面分割 成独立的自由曲面，分别为每个分区规划路径，最后经过整合可最大限度的减少整 体的路径长度。另外在喷漆工艺方面也有较深的研究，如热喷涂时，通过仿真优化 机器人的运动以获得理想的喷涂层厚度，从而获得较好的喷涂质量i 陆翊。 在国内，喷涂机器人的研究始于上世纪八九十年代，最早开始喷涂机器人研究 的是北京机械工业自动化研究所机器人中心，该所从七十年代初就开始了工业机器 人及其应用的研究。 目前我国哈尔滨工业大学，天津大学，南京理工大学等田2 钉都开发出了喷漆机 器人样机，少量已进行实际应用，但都未能形成批量生产，形成产业化。喷涂机器 人开发技术仍处于逐步研究完善的阶段，其编程技术都是以示教再现编程为主。机 器人的喷涂轨迹的规划难度很大，是喷涂机器人研究的热点陋3 。李发忠等弘9 1 研究 了喷涂机器人空间轨迹到关节轨迹的转换方法，提出一种基于d i j k s t r a 算法的转换 方法，通过分析工件坐标系和机器人基坐标系的关系，采用辅助特征点三点标定法 将工件坐标系内的喷涂空间轨迹转换到机器人坐标系。陈俐那1 等对复杂曲面进行 4 第一幸绪论 分片，而后用黄金分割的方法求解涂层重叠区域宽度的最优值：采用改进的蚁群算 法进行求解曲面上的喷枪轨迹优化组合问题，优化后的喷涂轨迹不仅能够满足涂层 均匀性要求，而且提高了喷涂效率。阮宏慧等p 2 1 则研究了喷涂距离、喷涂速度和喷 雾图形对喷涂质量的影响，为喷涂轨迹的规划提供理论基础。曾勇p 3 1 等运用变喷涂 半径和轨迹分段的方法解决了复杂自由曲面中自然二次曲面上涂层厚度的相关喷枪 参数的优化问题。 1 3 喷涂机器人的机器人学问题 喷涂机器人除了与喷涂工艺结合而形成的特点以外，仍然具有一般工业机器人 所共有的特征。从机器人学研究的角度来讲，喷漆机器人的动力学，结构优化等问 题仍然是机器人领域研究的热点。 机器人的动力学分析是一个非常值得关注的问题，机器人动力学主要研究机器 人运动和受力之间的关系，目的是对机器人进行控制、优化。机器人动力学主要有一 动力学正问题和动力学逆问题两类问题。动力学的正问题是已经知道机械手各关节 的的力或力矩，求各关节的位移、速度、加速度，并获得运动轨迹。动力学的逆问。 题是已知机械手的运动轨迹以及几个关节的位移、速度和加速度，求各关节所需要 的驱动力或力矩。目前人们已经基于不同的力学方程和原理，提出了许多的动力学一 建模方法。主要方法有拉格朗e 1 ( l a g r a n g e ) 力rp 卜蚓、牛顿一欧拉( n e w t o n - - e u l e r ) 方 法m 3 射，凯恩( k 锄e ) 方法3 9 1 ，高斯( g a u s s ) 方法等，其中以拉格朗日、牛顿一欧拉法 最为常用。牛顿一欧拉法尽管计算量较小，但是难以用它们设计机器人控制器或计 算机器人各个关节的等效惯量，这就没有达到机器人动力学建模的根本目的：拉格 朗日一欧拉法可以直接获得机器人动力学方程及解析式，其物理概念和运算步骤明 确，适用于机器人控制器的设计，计算量较大，但是随着计算速度的迅速提高，拉 格朗日完全可以满足关节数较少的机器人的实时控制。 机械系统动力学分析与仿真是伴随着计算机技术的发展而不断成熟的，计算机 技术在机构的静力学分析、运动学分析、动力学分析以及控制系统分析上都有了广 泛的应用，在二十世纪八十年代形成了计算多体系统动力学，并产生了以a d a m s 和d a d s 为代表的动力学分析软件。机器人动力学仿真就是利用动力学分析软件建 立某种动力学模型，根据模型对机器人运动范围内的典型状态或工作空间内各种运 动轨迹进行计算和分析。于殿勇等人u 对利用a d a m s 进行动力学仿真的参数进行 5 广东工业大学硕士学位论文 了研究，不同积分器和积分格式的优缺点和适用场合，并对动力学仿真中其它参数 设置作了介绍。提出了基于a d a m s 动力学仿真参数设置一般步骤和原则，为获得 最佳仿真效果奠定了基础，具有一定的理论和应用价值。闻靖h 刁利用a d a m s 对设 计的变磁力吸附机器人的爬越焊缝过程的动力学仿真分析，已验证设计机构的合理 性和实用性。林义怠4 3 1 从机器人动力学参数设计角度出发，提出了无路径的搜索方 法，在全部的机器人工作空间内进行仿真搜索，利用动力学仿真分析软件a d a m s 最终求取机器人关节驱动力矩的极限值。随着虚拟样机技术的发展，文献 4 4 - 4 6 】 通过a d a m s 与m a t l a b 的接口模块a d a m s c o n t r o l ，将m a t l a b s i m u l i n k 模块搭建了联 合仿真控制系统，实现基于m a t l a b 与a d a m s 的联合仿真，更好的研究了动态响应 特性。 机器人的结构优化是指机器人本体的分析与优化，国外的研究已经成熟，通过 有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法和的运用，对机器人本体进行了 大量的优化设计。文献【4 7 】开发了一种基于c a e 分析的优化算法，综合考虑了系统 的动态特性，成功的实现了结构的轻量化，降低了仿人机器人的能量消耗。s e b a s t i a n l o l u i l e i e r i 删利用拓扑优化技术设计了仿人行走机器人的腿部，设计的结构同时满足 了其高强度、高刚度及质量轻的要求。随着c a e 技术在国内的发展，国内这方面的 研究，也逐渐开展起来。张传思h 叼利用结构拓扑优化方法对硅片传输机器人的手臂 进行了优化，并根据拓扑优化结果设计了大臂的新型结构，成功的改善硅片传输机 器人手臂的振动性。谭小群等人啪1 对四足步行机器人的底板进行了静态分析，并通 过灵敏度分析确定地板设计的重要参数。在满足工作状态强度的情况下，以质量最 轻为目标，完成了底板的优化设计，实现了底板的轻量化设计。丁渊吲5 1 在串联机 器人原有结构设计的基础上，提出了以机器人工作空间体积和特定工作区域上的能 量消耗为性能指标的优化方法，利用遗传算法优化机器人结构参数，使优化后的机 器入不但具有原设计工作空间特性而且运行能量消耗最优，同时优化了钱江i 号机 器人各连杆杆长，在满足预定工作空间特性约束的同时，使得在安全工作区域内运 行的能量消耗最优。 1 4 课题来源及研究意义 1 4 1 课题来源 本课题来源于广东工业大学机电工程学院与广州某企业合作的喷涂机器人开 6 第一章绪论 发项目“喷涂机器人机械系统设计”( 编号为：6 0 7 1 0 7 4 1 0 ) 。项目的目标是开发出具 有较高实际意义的喷涂机器人本体。 1 4 2 课题研究的意义 喷涂机器人具有柔性高、喷涂质量好等优势，越来越受到国内喷涂企业的青睐。 由于我国工业机器人技术的局限性，自主研发的喷涂机器人往往存在精度不够、可 靠性差等缺陷，国内采用的喷涂机器人大都是来自国外，成套引进这些设备不仅价 格昂贵、维护成本高，而且故障维修周期长，对企业造成巨大的经济损失。从我国 的国情来讲，随着我国以独生子女为主体的劳动大军的出现，他们对于工作环境的 要求较高，对身体有害的涂装作业工人