基于改进四阶矩的机器人运动可靠性评估方法机械研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-02 论文字数:34454字
论文编号: sb2020021311573229490 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇机械论文,本文针对机器人运动可靠性评估问题,提出一种需要样本量较少且适用于任意分布类型的可靠度评估模型—改进四阶矩法,通过改进四阶矩法对串联六轴焊接机器人以及新
本文是一篇机械论文,本文针对机器人运动可靠性评估问题,提出一种需要样本量较少且适用于任意分布类型的可靠度评估模型—改进四阶矩法,通过改进四阶矩法对串联六轴焊接机器人以及新型 2SPR-2RPU 并联机构进行可靠度求解.

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
目前,国内的工业机器人设计往往偏重于考虑其性能指标,而忽略了对其可靠性的审核,结果造成工业机器人在使用过程中经常出现故障[1-2]。由于工业机器人是一个包括机械、电子、计算机等多种类型的元器件和控制软件在内的复杂系统,所以其可靠性的研究就比较复杂[3-5]。一般来说,不能忽视机器人系统的设计对其可靠性的意义。如果将系统的可靠性完全归结为元器件的可靠性和制造工艺,而没有考虑到系统设计对可靠性的作用,这样就没有发挥到设计的用途,可以认为可靠性设计是保证工业机器人可靠性的首要工作  [6-8]。
目前,可靠性分析方法主要有确定论方法(deterministic  approach)、统计学方法(statistical  approach)、概率论方法(probabilistic  approach)三种如图 1-1 所示[9]。
图 1-1  可靠性分析方法
采用确定论方法进行可靠性分析,通过自然率计算得到预测量确定值,然后加以 25%的安全系数以考虑不确定性因素的影响,但是选择 25%的安全系数完全是根据经验得出的,不存在科学根据  [10]。
采用统计学方法进行可靠性分析,不需要选择安全系数,通过收集样本数据,并对其进行统计分析,得到响应量的概率密度函数(PDF),进而分析得到随机统计规律[11]。但收集数据费时昂贵,且数据量太小时不能够准确反映响应量母体的分布规律,更值得注意的是:在一定时间内和一定条件下,对响应量进行的数据收集和归纳总结不具有一般性,较难推广[12]。
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1.2 可靠性技术的概念与发展
可靠性可以定义为:在规定时间内和规定的条件下,特定事物完成规定功能的能力[20]。可靠度可以定义为:在规定时间内和规定的条件下,特定事物完成规定功能的概率[21]。特定事物完成其规定的功能可以看作是其行为满足规定要求,也即在规定的时间内和规定的条件下其响应量满足规定的要求,因此,可靠性分析技术就是系统行为或者说系统的响应量满足规定要求的概率分析。在 20 世纪 40年代,可靠性技术初步建立并应用于电子产品方面,在 20 世纪 60 年代,可靠性在结构、机构等研究方面得到发展[22-24]。直到如今,可靠性技术在工程实际应用中起到了至关重要的位置。
如图 1-2 所示可靠性技术的发展可以分为初步萌芽阶段(20 世纪 40 年代初—50 年代初)、初步发展阶段(20 世纪 50 年代初—60 年代初)、快速发展阶段(20 世纪 60 年代初—70 年代末)、相对成熟阶段四大阶段(20 世纪 80 年代初):
图 1-2  可靠性技术发展阶段
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第2章 改进四阶矩运动可靠性评估模型建立

2.1 引言
通过机器人运动可靠性评估得到机器人可靠度以及各参数灵敏度成为机器人设计、优化的不可缺少的一部分[54]。四阶矩估计拟合方法可计算非正态分布的系统可靠度,该方法相对于一阶,和一次二阶矩法所需样本更少且计算精度较高,尤其可适用于包含非线性约束问题的所有类型分布的系统,但是提出的四阶矩模型与实际相比误差依然较大[55-59]。
本章通过推导机器人的极限状态函数,建立概率密度函数(PDF),引进拉格朗日乘子法,并采用迭代法求解优化的拉格朗日乘子,得到优化拉格朗日乘子并带入概率密度函数(PDF)中得到改进四阶矩可靠性评估模型。
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2.2 可靠性极限状态函数
机器人位置误差一般为机器人末端执行器的位置误差,机器人第 i 点的实际位置与期望位置偏差为:
图 2-1  轨迹点的可靠区间
为了便于描述机器人的运动可靠性,建立一个轨迹点作为示例。轨迹点的可靠区间为其理论位置为球心、以允许误差为半径的球体,如图 2-1 所示。从图 2-1 中可以看出机器人工作空间被球体分割成 2 部分,包含球体在空间内可成为 3 个独立子空间,球体内的点为满足机器人运动可靠性的点,球体上的点为机器人的运动可靠性的临界点,存在一定不确定性,球体外的点为不满足机器人运动可靠性的点。
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第 3 章  串联六轴焊接机器人运动可靠性评估 .......................... 19
3.1 引言 ................................. 19
3.2 串联机器人影响因素分析 .............................. 19
3.3 串联六轴焊接机器人构型与连杆坐标系的建立 ................... 21
第 4 章  新型 2SPR-2RPU 并联机构运动可靠性评估 ......................................... 31
4.1 引言 ...................................... 31
4.2 并联机构运动可靠性影响因素分析 ........................................ 31
4.3 新型 2SPR-2RPU 并联机构的构型、结构分析及坐标建立 ........................ 33
第 5 章  改进四阶矩运动可靠性评估模型的验证 ............................... 41
5.1 引言 ................................ 41
5.2 蒙特卡洛法 ................................................... 41
5.3 串联六轴焊接机器人可靠性评估模型验证 ..................... 44

第5章 改进四阶矩运动可靠性评估模型的验证

5.1 引言
通过上文所述改进四阶矩可靠性模型分别对串联六轴焊接机器人以及新型 2SPR-2RPU 并联机构进行了可靠度求解。
本章将通过四阶矩法以及蒙特卡洛法分别求解串联六轴焊接机器人以及新型2SPR-2RPU 并联机构可靠度,将三种方法所得可靠度进行对比,验证改进四阶矩可靠性模型的准确性。
蒙特卡洛法可靠性分析方法(Monte  Carlo  simulation,  MCS),又称为随机抽样法、概率模拟法或统计试验法。由于科学技术的发展,出现了许多复杂的问题,用传统的数学方法或物理试验进行估计和描述函数的统计量进而求解工程技术问题近似解。同传统代数法和矩法计算可靠度相比,蒙特卡洛法无须知道应力和强度分布类型及概率参数等,可以用于正态分布、指数分布、威布尔分布等任何一种分布,能够有效地解决问题。该方法是通过随机过程进行多次同样的试验并统计试验数据来进行可靠性分析的[97]。可靠性评估难以建立精确数学模型或模型太复杂时,常用蒙特卡洛法进行预估,随着模拟次数增多,其预计精度也逐渐增高,当试验次数达到一定量时所得结果将趋于预估值。由于试验次数必须达到一定量,因此采用蒙特卡洛法需要高容量、高速度的计算机。相比于其他统计学方法,蒙特卡洛法依赖于高容量、高速度的计算机,大大减小了人为因素影响以及计算难度,且可操作性强,直观易懂[98]。
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总结与展望

总结
本文针对机器人运动可靠性评估问题,提出一种需要样本量较少且适用于任意分布类型的可靠度评估模型—改进四阶矩法,通过改进四阶矩法对串联六轴焊接机器人以及新型 2SPR-2RPU 并联机构进行可靠度求解,得出以下结论:
(1)推导机器人极限状态函数,基于最大熵法通过前四个中心距建立率密度函数,引进拉格朗日乘子法,采用迭代法优化拉格朗日乘子,将其带入概率密度函数,建立改进四阶矩法可靠性模型。
(2)确定串联机器人运动可靠性的影响因素,在臂杆柔性、关节柔性、关节间隙、连杆加工偏差 4 种因素交叉影响下,最终确定连杆参数与关节角度为主要得 2 大影响因素。
(3)对串联六轴焊接机器人进行正、逆运动学分析,设定串联六轴焊接机器人轨迹,结合改进四阶矩可靠性模型求解串联六轴焊接机器人可靠度。并通过全局参数灵敏度分析法对串联六轴焊接机器人进行参数灵敏度分析,确定了优化目标。
(4)确定新型 2SPR-2RPU 并联机构运动可靠性的影响因素,对新型2SPR-2RPU 并联机构进行逆运动学分析,设定新型 2SPR-2RPU 并联机构轨迹,结合改进四阶矩可靠性模型求解新型 2SPR-2RPU 并联机构可靠度。
(5)引入蒙特卡洛法分别对串联六轴焊接机器人以及新型 2SPR-2RPU 并联机构进行系统可靠度求解。将四阶矩法、改进四阶矩法、蒙特卡洛法三种方法所求串联六轴焊接机器人以及新型 2SPR-2RPU 并联机构系统可靠度相对比,验证了改进四阶矩法可靠性模型的准确性。
参考文献(略)

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