《关节式机器人构型设计与轨迹规划方法及应用》

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1、项目主要技术内容:在河南省科技攻关计划项目和河南省高校新世纪优秀人才支持计划项目的资助下,课题组在机器人构型设计与轨迹规划的研究与应用方面取得了一系列成果。项目对关节式串联机器人的构型设计、控制系统、误差分析、轨迹规划方法等基础理论与关键技术进行研究。项目基于D-H参数法对关节式机器人构型进行拓扑分类研究,提出塔机标准节主枝焊接机器人和移动焊接机器人的技术方案,并对机器人的运动学、误差分析进行研究。

(1)串联机器人构型设计与分类研究。基于D-H参数法对六自由度机器人构型进行拓扑分类,得到32类三自由度臂部结构。研究位置雅可比与构型奇异性之间的关系,区分出12类结构奇异构型和20类非结构奇异构型。对机器人臂部结构构型的负载能力特性进行分析,得到负载性能较好的非结构奇异构型。编制臂部结构构型分类表,确定基于负载能力的机器人构型设计原则,用于指导机器人的构型设计。

(2)塔机标准节主枝专用焊接机器人系统研究。针对国内塔机行业焊接工人劳动强度大、作业条件差、焊接质量不易控制等问题,设计一种六自由度塔机标准节主枝焊接机器人系统,采用交流伺服电机与谐波减速器相结合的传动方案。开发了六自由度机器人运动控制仿真系统。

(3)机器人轨迹规划方法研究。针对焊接机器人作业中需要精确规划焊缝路径轨迹的要求,利用贝赛尔曲线的分段处理性等性质,建立机器人轨迹规划时间最优模型。考虑关节角速度、加速度等约束条件,提出一种基于遗传算法的时间最优轨迹规划方法。与传统的三次样条曲线插值轨迹规划相比,该方法规划的轨迹曲线光滑平稳,计算效率较高,运行时间减少,使机器人的作业效率显著提高。

(4)移动焊接机器人结构与路径规划研究。提出了一种移动焊接机器人技术方案,在焊接机械臂的构型设计与作业空间分析、自定位与路径规划算法、焊缝图像识别算法等方面进行研究。项目将移动机器人对地形的优良适应性与成熟的工业焊接机器人技术相结合,开拓了机器人理论与应用研究的新领域。

2、知识产权获得情况:项目经过10年的研究与应用,取得了一系列创新性成果。项目获发明专利授权1项,发表论文14篇,其中EI检索4篇,中文核心期刊8篇。

3、技术经济指:标机器人构型设计与轨迹规划的研究成果使相关企业机器人产品的负载能力提高10%以上。机器人运动轨迹平滑连续,无抖动与停顿现象,作业效率提高近15%,提升了焊接装备的技术水平,提升了机器人产品的竞争力。

4、应用推广及效益情况:该项目中的关键技术完成后,先后在武汉中安佳通装备技术有限公司、郑州润华智能设备公司、郑州科慧科技股份有限公司等公司进行了测试和应用。经过运行试验证明,该机器人研究成果技术先进,性能可靠,显著提高了企业机器人产品的运动性能与作业效率。给企业带来了显著的经济与社会效益,三年来累计为企业新增利润2090余万元。

成果说明

该项目自2007年1月开始研发以来,经过多次的设计仿真优化、研制、测试及调试,机器人构型设计理论与轨迹规划方法逐步完善。该项目中的研究成果,先后在武汉中安佳通装备技术有限公司、郑州润华智能设备有限公司、郑州科慧科技股份有限公司、河南迈斯曼机器人科技有限公司进行了测试和应用。在试用过程中,企业提出了许多宝贵的意见,项目组一面跟踪试用情况,一面改进和完善系统功能。该项目的构型设计相关成果已应用于郑州润华智能设备有限公司生产的HPR系列工业机器人产品,经过运行试验证明,该关节式机器人研究成果技术先进,性能可靠,

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