機器人彈性變形裝配力交互機理研究.pdf

1、機器人裝配操作過程是機器人學和現(xiàn)代生產(chǎn)的核心技術(shù)之一。針對裝配操作研究的大多數(shù)的研究工作集中在剛性物體的操作規(guī)劃與控制策略的研究上。隨著對高效、精密機器人系統(tǒng)的需要及提高裝配成功率的要求，輕型、高速、高精度的裝配系統(tǒng)日益成為研究的主要方向，需要在操作系統(tǒng)的動力學分析及規(guī)劃控制分析中考慮其柔順性及彈性變形特征。本文對彈性變形裝配進行了初步的探討，主要研究內(nèi)容如下： 1．彈性變形裝配幾何、力學分析。首先，建立彈性系統(tǒng)的坐標系統(tǒng)，并在

2、所建坐標系下對彈性裝配對象的幾何特性、幾何約束關(guān)系進行描述；其次，在有限元方法基礎(chǔ)上對彈性裝配體的變形場進行分析，建立彈性裝配體的運動學及動力學模型。 2．接觸彈性變形動力學建模分析。主要描述了在接觸約束力作用下接觸彈性變形幾何和力學行為，建立了在小變形基礎(chǔ)上的裝配接觸約束動力學模型。在動力學模型中分析了接觸幾何約束和相應的接觸力以及摩擦條件和約束優(yōu)化等問題。 3．彈性軸插入孔的裝配動力學建模分析。根據(jù)彈性軸的變形場描述

3、以及軸孔裝配過程軸存在的幾何、運動和動力約束條件，建立裝配約束系統(tǒng)的動力學模型。由于變形存在非線性行為，導致系統(tǒng)的幾何分析及力學分析的復雜性增強，使求解困難，甚至無法求解，可以把彈性長軸簡化為梁進行幾何、力學分析，并在假設(shè)條件的基礎(chǔ)上，通過有限元方法的節(jié)點劃分，對彈性梁進行幾何、力學分析，建立系統(tǒng)的運動學及動力學模型。在軸孔裝配幾何、力學分析和一般約束動力學模型的基礎(chǔ)上建立軸孔裝配的約束動力學模型，并以具體的實例對軸孔裝配大變形情況下的

4、幾何、力學行為進行了分析、驗證，得出有效的裝配實施策略。 4．軸孔彈性變形裝配過程中卡阻、楔緊研究。在典型的剛性軸孔裝配的幾何及力學特性分析的基礎(chǔ)上，得出影響其成功裝配的主要條件，即卡阻和楔緊。根據(jù)剛性條件分析，在接觸變形約束動力學模型的基礎(chǔ)上對卡阻和楔緊狀態(tài)進行了分析驗證，得出狀態(tài)發(fā)生時的幾何、力學條件及其相互關(guān)系，解決了在彈性變形柔順模型的基礎(chǔ)上如何克服幾何及力學方面的不利因素，從而順利完成裝配任務。 5．彈性變形裝

5、配中抑制變形的主動力控制策略。規(guī)劃策略是控制實施的前提和基礎(chǔ)。文中首先應用中軸圖把裝配過程中裝配件和被裝配件之間的精確幾何關(guān)系用計算幾何的方式來描述，并賦予時變動態(tài)特性對機器人復雜裝配過程進行有效規(guī)劃，從而形成機器人對于裝配過程的形象思維知識，建立粗運動規(guī)劃策略；由于各種不確定性因素的存在，對基于力覺和力控制的精細運動規(guī)劃進行了研究，建立了維持接觸狀態(tài)的空間狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。在粗、精運動規(guī)劃結(jié)合的策略下，有效的提高了機器人裝配運動規(guī)劃的實施效

6、率和成功率。在運動規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出了針對彈性變形裝配的慢、快速力控制模式，慢速控制系統(tǒng)可以借鑒前人的研究成果，針對系統(tǒng)中的剛性部分實施力控制，而快速控制系統(tǒng)在慢速控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過施加擾動來控制和減小系統(tǒng)由于彈性變形而引起的振動不穩(wěn)定性以及位置和力偏差，從而形成一個完整的有效的力控系統(tǒng)。文中以軸孔裝配為例對復雜的T型軸插入C型孔的運動規(guī)劃及控制進行了分析，并在彈性性梁理論研究模型的基礎(chǔ)上，對大變形的彈性軸孔裝配進行了力控實驗分析，