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随着产业升级转型需求,以工业机器人为代表的智能装备发挥着越来越重要的作用,其对工业自动化、智能化、以及劳工荒等问题具有非常重要意义。产品质量和生产效率的提高,对工业机器人运动平稳性和运动精度提出了更高的需求。为满足机器人高速等性能要求,需要从运动学和动力学角度出发,不断优化机器人参数,使其具备良好的性能。本文结合国家863计划项目“基于CAD/CAE技术融合工业机器人设计开发平台”,开展高速度工业机器人运动学和刚体动力学建模;基于运动学和刚体动力学指标对工业机器人机构进行优化设计;基于连杆和关节柔性体动力学模型对机器人结构参数进行优化设计;最后,根据优化结果,试制六自由度高速串联工业机器人样机,验证优化设计结果。首先,本文依托现有六自由度串联工业机器人构型,根据DH法建立工业机器人运动学模型,并推导出机器人末端位置、速度的解析表达式;根据运动学性能参数,提出了运动学评价指标,并将其作为机构参数优化目标函数。然后,根据Lagrange方程建立工业机器人刚体动力学模型,利用仿真软件ADAMS对所推导的动力学方程进行验证。以动力学模型为基础,提出刚体动力学性能评价目标,以连杆长度和截面积等作为设计变量,将运动杆件的主惯量值、关节驱动力矩等动力学指标作为目标函数,建立工业机器人机构参数优化模型。在设定的约束条件下,运用NSGA-II完成了工业机器人的机构参数优化设计。针对高性能工业机器人高速状态连杆柔性与关节柔性表现明显问题,提出一种同时考虑连杆柔性和关节柔性的结构参数优化设计方法。首先基于有限元方法中Bernoulli-Euler梁模型对机器人连杆进行离散化,然后运用Lagrange方程建立工业机器人的柔性动力学模型,并以最大一阶固有振动频率以及最大负载自重比为性能指标,对建立的柔性体动力学模型进行优化设计。运用NSGA-II求解该多目标优化问题,获得优化目标的Pareto解集。在上述分析和优化的基础上,确定了工业机器人的杆件长度、截面等本体参数,完成了工业机器人电机、减速器等关键部件的选型,并试制工业机器人样机。为了验证本文本体参数优化设计结果,对样机进行模态实验,测试其一阶固有频率,并与优化设计的固有频率值相比较,实验结果证明论文提出的柔性体动力学优化方法的可行性和优化模型的正确性。为验证本文设计的工业机器人运动精度,测试并分析了其重复定位精度、距离精度和距离重复精度等指标,实验结果证明工业机器人的定位精度等指标满足设计要求。