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一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法

郑昱 广晨汉 杨洋

郑昱, 广晨汉, 杨洋等 . 一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(4): 746-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0296
引用本文: 郑昱, 广晨汉, 杨洋等 . 一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(4): 746-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0296
ZHENG Yu, GUANG Chenhan, YANG Yanget al. Residual vibration suppression method of a cylindrical material loading robot[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(4): 746-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0296(in Chinese)
Citation: ZHENG Yu, GUANG Chenhan, YANG Yanget al. Residual vibration suppression method of a cylindrical material loading robot[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(4): 746-753. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0296(in Chinese)

一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0296
基金项目: 

总装备部预先研究项目 41462030101PD03

详细信息
    作者简介:

    郑昱, 男, 博士研究生。主要研究方向:机器人动力学与控制技术

    广晨汉, 男, 博士研究生。主要研究方向:机构学、智能机械设计与控制

    杨洋, 男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:机器人机构学、医疗机器人、智能机械设计与控制

    通讯作者:

    杨洋, E-mail: yang_mech@126.com

  • 中图分类号: V221+.3;TB553

Residual vibration suppression method of a cylindrical material loading robot

Funds: 

Pre-Research Project of the General Armament Department 41462030101PD03

More Information
  • 摘要:

    为提高载具内的物料装填效率,提出了一种在载具内受限空间中使用的新型圆柱物料装填机器人,并通过优化关节轨迹,对机器人末端残余振动进行抑制。首先,给出物料装填机器人的总体设计方案和工作流程。然后,结合物料装填机器人的结构特点,应用拉格朗日方法建立封闭形式的刚柔耦合动力学模型,并应用模态分析方法得到机器人末端动态响应计算方法。最后,以物料装填机器人关节残余弹性势能最小为优化目标,使用最大最小蚂蚁系统,对机器人关节轨迹进行优化,并对优化结果进行仿真验证。仿真结果表明,优化后的关节轨迹,在满足快速装填要求的基础上,可以降低约34.4%的关节残余弹性势能和约37.6%的机器人末端振动振幅。

     

  • 图 1  物料装填机器人总体方案

    Figure 1.  General scheme of material loading robot

    图 2  物料装填机器人简化模型

    Figure 2.  Simplified model of material loading robot

    图 3  物料装填机器人固有频率特性

    Figure 3.  Characteristics of natural frequencies of material loading robot

    图 4  插值时间与末端误差幅值的关系

    Figure 4.  Relation between interpolation time and amplitude of end-effector error

    图 5  MMAS流程

    Figure 5.  Flowchart of MMAS

    图 6  平均适配度变化

    Figure 6.  Variation of average fitness

    图 7  物料装填机器人末端误差变化

    Figure 7.  Variation of material loading robot end-effector error

    表  1  物料装填机器人物理参数定义

    Table  1.   Physical parameter definition of material loading robot

    变量 物理意义 数值
    θ1/rad 关节1关节角
    d2/m 关节2关节位移
    d3/m 关节3关节位移
    θ4/rad 关节4关节角
    θ5/rad 关节5关节角
    m1/kg 关节1质量 90.8
    m2/kg 关节2质量 64.1
    m3/kg 关节3质量 13.4
    m4/kg 关节4质量 26.2
    m5/kg 关节5和末端抓持器等效质量 46.4
    k1/((N·m)·rad-1) 关节1等效线性刚度 15 000
    k2/(N·m-1) 关节2等效线性刚度 15 000
    k3/(N·m-1) 关节3等效线性刚度 15 000
    k4/((N·m)·
    rad-1)
    关节4等效线性刚度 10 000
    k5/((N·m)·
    rad-1)
    关节5等效线性刚度 15 000
    I1/(kg·m2) 关节1在坐标系O1x1y1z1中相对于质心的惯量
    I2/(kg·m2) 关节2在坐标系O2x2y2z2中相对于质心的惯量
    I3/(kg·m2) 关节3在坐标系O3x3y3z3中相对于质心的惯量
    I4/(kg·m2) 关节4在坐标系O4x4y4z4中相对于质心的惯量
    I5/(kg·m2) 关节5在坐标系O5x5y5z5中相对于质心的惯量
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    表  2  轨迹插值点

    Table  2.   Trajectory interpolation points

    插值点序号 关节2相对位移/mm 关节3相对位移/mm 关节4相对位移/(°)
    0 0 0 0
    1 195 0 0
    2 305 200 50
    3 405 386 90
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    表  3  插值时间取值范围

    Table  3.   Value range of interpolation time s

    运动时间 最大值 最小值
    t1 2 0.5
    t2 2 0.5
    t3 2 0.5
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    表  4  优化前后参数的对比

    Table  4.   Comparison of parameters before and after optimization

    参数 优化前 优化后
    运动时间t1/s 2.04 1.77
    运动时间t2/s 1.96 1.23
    运动时间t3/s 1.02 1.17
    时间和t/s 5.02 4.17
    残余弹性势能Ek/J 0.878 0.576
    x方向误差幅值/mm 5.771 3.487
    z方向误差幅值/mm 3.28 2.238
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-17
  • 录用日期:  2019-09-28
  • 网络出版日期:  2020-04-20

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