【摘 要】
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工业机器人是目前先进制造业中不可或缺的关键设备,其应用场景不断拓宽,并在工业生产中形成了众多以机器人配合多台设备组成的工作单元。设计合理的机器人工作单元不仅能够有效提高工作单元的生产效率,还能降低生产过程中的能量损耗,对提高制造企业竞争力具有重要意义。传统的机器人工作单元设计通常采用串行方式,即设备布局优化和机器人运动轨迹优化依次独立开展,未考虑设备布局与机器人运动轨迹的相互关联和相互影响。针对上
【基金项目】
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国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目“面向低碳制造的激光加工工艺及系统优化基础理论与关键技术”,项目编号 5181101756； 广东省重点领域研发计划项目“面向汽车零部件制造的绿色、高效、智能压铸岛系统开发与应用”,项目编号:2019B090921001；
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工业机器人是目前先进制造业中不可或缺的关键设备,其应用场景不断拓宽,并在工业生产中形成了众多以机器人配合多台设备组成的工作单元。设计合理的机器人工作单元不仅能够有效提高工作单元的生产效率,还能降低生产过程中的能量损耗,对提高制造企业竞争力具有重要意义。传统的机器人工作单元设计通常采用串行方式,即设备布局优化和机器人运动轨迹优化依次独立开展,未考虑设备布局与机器人运动轨迹的相互关联和相互影响。针对上述问题,本文开展考虑时间和能耗的机器人工作单元布局与运动轨迹集成优化研究,提高机器人工作单元生产效率的同时降低能耗。本文的主要研究内容如下:首先,以IRB-6700-1500型机器人为研究对象,使用D-H参数法建立其连杆坐标系,推导工业机器人正运动学方程,接着使用解析法求解机器人运动学逆解,分别对正、逆运动学理论进行仿真验证,并使用拉格朗日法建立机器人动力学模型。然后,选择关节空间进行轨迹规划,分别对三次和五次多项式插值算法进行分析,并进行仿真对比。以机器人运动时间和能耗为目标,采用五次多项式插值关节轨迹,建立机器人多目标轨迹优化能效模型,提出一种基于双种群混沌引力搜索算法（Dual-Population Chaotic Search Gravitational Search Algorithm,DCSGSA）求解该问题,获得Pareto最优解集,对优化前后的关节运动轨迹进行分析,验证提出方法的有效性。最后,采取蒙特卡洛法求解机器人工作空间,确定设备布局边界约束,同时建立考虑能耗与时间的机器人工作单元布局与运动轨迹集成优化模型。在提出DCSGSA算法基础上,根据集成模型计算复杂性、多尺度特点,设计了一种机器人工作单元布局与运动轨迹双层优化策略求解该模型。采用提出算法求解某压铸机公司智能压铸岛取件机器人工作单元实际案例,并与其他多目标算法比较,验证提出算法的高效性。采用灰色关联度法在获得的Pareto最优解集中选择满意解,分析工作单元布局和机器人运动轨迹,验证了提出集成优化方法的可行性。
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