涉核作业机器人刚度与末端变形研究

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.124

工程设计学报

2025, Vol. 32

Issue (5): 655-663 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.124

机器人与机构设计

涉核作业机器人刚度与末端变形研究

蒋君侠(

),张渊淞,仲笑欧

浙江大学机械工程学院，浙江杭州 310058

Research on stiffness and end deformation of nuclear related operation robot

Junxia JIANG(

),Yuansong ZHANG,Xiaoou ZHONG

School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

全文: PDF(2806 KB) HTML

摘要：

涉核作业机器人的齿轮传动链较长，自重较大。为了评估自重和负载导致的机器人末端变形情况，以进行设计优化和变形补偿，需要研究机器人刚度与末端变形。首先，通过分析涉核作业机器人的结构及传动原理，基于D-H（Denavit-Hartenberg）法设立了考虑关节偏置的机器人连杆坐标系，并进一步建立了机器人运动学模型；其次，针对机器人因自重和负载作用产生的关节力矩和末端变形，提出了一种将机器人传动关节视为柔性部件来求解关节扭转刚度、基于伯努利-欧拉梁假设理论求解机器人连杆刚度的求解方法，综合得到了机器人末端变形模型；最后，通过有限元方法对机器人末端变形进行仿真分析，并进行了实验测试，验证了末端变形模型的准确性。所提出的机器人末端变形建模方法对机器人的设计优化和末端变形补偿具有一定的借鉴价值。

关键词： 涉核作业机器人; 全齿轮耦合传动; 刚度; 末端变形

Abstract:

Due to the relatively large length of the gear transmission chain and self weight of the nuclear related operation robot, in order to evaluate the end deformation of the robot caused by self weight and load for design optimization and deformation compensation, it is necessary to study the stiffness and end deformation of the robot. Firstly, by analyzing the structure and transmission principle of the nuclear related operation robot, based on the D-H (Denavit-Hartenberg) method, a robot linkage coordinate system considering joint bias was established, and a robot kinematic model was established. Secondly, in response to the joint torques and end deformation under the self weight and load, a solution method was proposed that treated the robot's transmission joints as flexible components to calculate the joint torsional stiffness, and calculated the robot's linkage stiffness based on the Bernoulli-Euler beam assumption theory. The robot's end deformation model was comprehensively obtained. Finally, the robot's end deformation was simulated and analyzed using the finite element method, and the accuracy of the proposed end deformation model was verified through testing.The proposed end deformation modeling method of the robot has certain reference value for the design optimization and end deformation compensation of the robots.

Key words: nuclear related operation robot fully gear coupled transmission rigidity end deformation

收稿日期: 2025-03-15 出版日期: 2025-10-31

CLC:

TH 89

基金资助: 长三角科技创新共同体联合攻关项目(2024C04056)

作者简介: 蒋君侠（1968—），男，研究员，博士生导师，硕士，从事核工业机器人及智能装备技术等研究，E-mail: Jiangjx@zju.edu.cn, https://orcid.org/0000-0001-7920-8282

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引用本文:

蒋君侠,张渊淞,仲笑欧. 涉核作业机器人刚度与末端变形研究[J]. 工程设计学报, 2025, 32(5): 655-663.

Junxia JIANG,Yuansong ZHANG,Xiaoou ZHONG. Research on stiffness and end deformation of nuclear related operation robot[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2025, 32(5): 655-663.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2025.05.124 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2025/V32/I5/655

图1 涉核作业机器人结构及传动原理

图2 机器人传动系统的结构

图3 机器人连杆坐标系

连杆	$α i - 1$ / (°)	$a i - 1$ /mm	d_i /mm	θ_i / (°)
1	180	0	d₁	θ₁ (90)
2	90	0	0	θ₂ (90)
3	0	$a 2$	-d₃	θ₃
4	180	$a 3$	d₄	θ₄ (90)
5	90	0	d₅	θ₅
6	90	0	d₆	θ₆

表1 机器人连杆D-H参数

图4 机器人各部分质量和质心示意

表2 机器人各部分质心坐标

图5 一个啮合周期内单对轮齿啮合刚度曲线

图6 连杆变形

图7 自重作用下机器人末端变形云图

图8 机器人位姿

图9 机器人末端变形量

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