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智能农业采摘机器人模块化结构拓扑优化及其运动性能分析

目录

文档综述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

1.1研究背景与意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

1.2国内外研究现状．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7

1.2.1国外研究进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

1.2.2国内研究动态．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

1.3主要研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

1.4技术路线与本文组织结构．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

智慧农业采摘执行单元的体系结构设计与优化．．．．．．．．．．．．．．．20

2.1采摘作业需求分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23

2.2执行模块的结构组成与功能划分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24

2.3基于功能需求的模块化结构方案构思．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28

2.4建立坐标系及运动学参数分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30

优化设计方法及工具．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31

3.1模块化结构拓扑优化理论基础．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32

3.2适用于农业机械的结构优化设计方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35

3.2.1几何形态描述与参数化建模．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36

3.2.2协同稳健优化方法引入．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．39

3.3选用优化设计与仿真软件平台．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．41

采摘机器人关键模块拓扑优化实施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．43

4.1操作臂机构的拓扑优化设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．45

4.1.1设计变量与约束条件确定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．47

4.1.2优化目标函数构建．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．55

4.1.3不同工况下的优化模型求解．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．57

4.2夹持机构的拓扑优化设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．61

4.2.1结构轻量与抓取稳定的平衡考虑．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．62

4.2.2材料分布的优化与选型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．63

4.2.3基于强度要求的拓扑形态探索．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．64

4.3优化结果的后处理与形态评估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．67

优化结构的运动性能仿真分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．68

5.1建立完整机器人运动学动力学模型．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．71

5.2关键运动性能指标定义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．75

5.3基于优化结构的运动学特性仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．77

5.3.1轨迹规划可行性评估．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．80

5.3.2最大可达工作空间分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．82

5.4关键工况下的动力学响应仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．84

5.4.1采摘冲击载荷下的结构动态行为．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．86

5.4.2不同速度模式下的能耗与稳定性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．88

5.5优化前后性能对比与传统方案对比．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．90

基于优化模块的样机可行性论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．90

6.1优化结果到物理样机的转化策略．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．91

6.2样机加工制造与装配实施