毕业论文-焊接机器人运动学仿真及上机运算

焊接机器人运动学仿真及上机运算摘要随着光机电一体化技术的发展，工业机器人技术已在众多领域得到了广泛的应用。为更好地应用机器人技术，提高其使用性能，本文在焊接工况下对焊接接器人进行了运动学的基础研究。本文主要是讲述研究了机器人连杆坐标系的确定，运动方程的建立，并对零位移位置和有位移位置时(工作状态)的机器人的各关节正解、逆解进行了求取。采用等距轨迹规划法研究了机器人在焊接的工作空间自由曲面时加工工具的轨迹规划问题。并根据焊接作业的要求对机器人进行了运动仿真和上机运算。并根据老师所设定的工件算出各个点的坐标，编辑了机器人操作运行程序，本文的工作为进一步进行机器人的研究和理解奠定了的基础。关键字：焊接，机器人，6自由度，程序，工业机器人I焊接机器人运动学仿真及上机运算AbstractWiththelightelectromechanicalintegrationtechnologydevelopment,industrialrobottechnologyinmanyfieldshasbeenwidelyused.Inordertobetterapplicationofrobottechnologyandenhanceitsperformance,thepaperinweldingconditionofweldingtopeoplewithakinematicsofbasicresearch.Thisarticleisaboutarobotonthelinkcoordinatesdeterminedthattheestablishmentoftheequationofmotionanddisplacement,locationandlocationdisplacement(ofstate)alltherobotsjointsaresolutionstotheinverseofthestrike.Equidistancemethodusedonatrajectoryplanningweldingrobotintheworkspacefreesurfaceofthetrackwhenprocessingplanningtools.Andweldingoperationsinaccordancewiththerequirementsoftherobotandamotionsimulationonthemachineoperator.Accordingtoteachersandsettheworkpiececalculatethecoordinatesofeachpoint,theeditorialoperationofarobotoperatingprocedures,thepaperworkforthefurtherstudyandunderstandingoftherobothaslaidafoundation.Keyword:welding,robotics,sixdegreesoffreedom,procedures,industrialrobotsII焊接机器人运动学仿真及上机运算目录第一章绪论.11.1选题背景.11.2机器人技术的由来、发展及应用.21.3工业机器人.51.4焊接机器人.81.5计算机仿真技术.10第二章设计方案.172.1设计任务.172.2总体设计方案.18第三章机器人整体结构设计.193.1机器人的组成.193.2电机的选择.203.3腰部与底座的结构设计.223.4大臂的结构设计.223.5小臂和腕部结构设计.223.6手部结构结构设计.22第四章机器人运动分析数学基础.234.1机器人机构运动方程.234.2机器人手部位置和方向的表示方法.234.3杆件坐标系的建立.24小结.25第五章机器人的运动学分析.275.1Motomanup机器人的运动学正解.275.2motoman-up机器人的运动学正问题分析.285.3Motoman-up机器人逆运动方程演算.335.4机器人的速度与加速度.38小结：.42第六章MOTOMANUP6焊接机器人的手部工作范围与运动学仿真.43III焊接机器人运动学仿真及上机运算引言.436.1Motoman-up6焊接机器人的手部工作范围.436.2焊接机器人逆运动学分析及仿真程序及结果.45第七章技术经济分析报告.4771经济效益分析.4772市场前景分析.48第八章毕设总结.51参考文献：.52致谢.53附录.54附录1Motoman-up机器人的技术参数要求.54附录2机器人运动分析逆运动程序（VB语言）.55附录3机器人运动分析正运动程序（VB语言）.60附录4机器人运动分析逆运动程序结果.62附录5机器人运动分析程序截图.64IV焊接机器人运动学仿真及上机运算第一章绪论1.1选题背景机器人形象和机器人一词,最早出现在科幻和文学作品中,1920年,一名捷克作家发表了一部名叫罗萨姆的万能机器人的剧本,剧中叙述了一个叫罗萨姆的公司把机器人作为人类生产的工业品推向市场,让它充当劳动力代替人类劳动的故事,引起了人们的广泛关注。后来,这个故事就被当成了机器人的起源。但真正机器人的出现,则是1956年。当时,美国人英格伯格和德沃尔制造出了世界上第一台工业机器人,标志着机器人正式诞生。当时,英格伯格和德沃尔都供职于一家汽车公司,他们认为,汽车工业最适合于机器人干活,这样不但可以代替工人的一些简单重复劳动,而且更重要的是,它们不要吃饭,不知疲倦,不要报酬,始终任劳任怨。于是,他们分工进行研制,由英格伯格负责设计机器人的“手”、“脚”、“身体”,德沃尔设计“头脑”、“神经系统”。这台机器人研制出来后,只有手臂功能与人相似,外形象一个坦克的炮塔,基座上有一个大机械臂,大臂上又伸出一个可以伸缩和转动的小机械臂,能进行一些简单的操作,代替人做一些诸如抓放零件的工作。与其说它是一台机器人、,不如说是一只断手臂。但它的诞生,开创了机器人研究的新纪元。随着社会的发展，社会分工越来越细，尤其在现代化的大生产中，有的人每天就只管拧同一个部位的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影摩登时代中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病开始产生。于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作。于是人们研制出了机器人，代替人完成那些枯燥、单调、危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。1焊接机器人运动学仿真及上机运算1.2机器人技术的由来、发展及应用机器人（ROBOT）这个词最早出现在20世纪20年代美国科幻小说家阿西莫夫的科幻小说中，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人UNIMATE，使机器人从文学幻想变成了现实，机器人的历史才由此开始。在几十年的发展过程中，机器人技术的研究和发展过程大致经历了3个阶段：(1)第一代是示教再现型(Play-Back)机器人。它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂运动，一步一步完成各个动作。在动作过程中，机器人会自动将这一过程存入记忆装置。当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复执行。这类机器人不具备外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。“UNIMATE”和“VERSTARN”这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。现在，这类机器人仍在一些工业生产线上得到应用。(2)第二代是有感觉的机器人。它们对外界环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能。机器人工作时，根据感觉器官!传感器%获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。如：具有视觉的机器人能认字、识别二维图像或三维物体的特征等，可用于产品的外观检查、分拣、装配等工作；有些行走机器人还能判别周围环境的其他障碍物，并自动避开；有触觉的机械手可轻松自如地抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋(见图1-1)具有嗅觉的机器人能分辨出不同饮料和酒类等。图1-1具有触觉的机械手可灵活的抓住鸡蛋(3)第三代是智能型机器人。它不仅具有感觉能力，而且还具有独立判断、行动、记忆、推理和决策的能力，因而能够完成更加复杂的动作。如具有行走功能的2焊接机器人运动学仿真及上机运算机器人，其中央电脑控制着机器人的手臂和行走装置，使机器人完成作业，用脚完成移动功能；有些机器人能够识别人的自然语言，可以“听”懂人用自然语言发出的各种命令，完成相应的动作。智能机器人的“智能”特征就在于它具有与外部世界对象、环境和人相适应、相协调的工作机能。从控制方式看，智能机器人不同于工业机器人的“示教、再现”，不同于遥控机器人的“主从操纵”，而是以一种“认知适应”的方式自律地进行操作。智能机器人在发生故障时，通过自我诊断装置能自我诊断出故障部位，并可自我修复。自20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，机器人技术也得到了飞速发展。原本用于生产制造的工业机器人水平不断提高，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了长足的进展。机器人的各种功能被相继开发并得到不断增强，机器人的种类不断增多，机器人的应用领域也从最初的工业领域拓展到各行各业，从军事到民用，从天上到地下，从工业到农业、林、牧、渔，从科研探索到医疗卫生行业，从生产到娱乐服务行业，甚至还进入寻常百姓家6。按机器人的应用可以分成许多类，比如：工业机器人，包括能够搬运原材料、工件和零件的搬运机器人；能代替人完成车、铣、刨、磨等加工工艺的机械加工机器人；完成点焊、弧焊的焊接机器人；能完成冲压和锻压的机器人；能完成喷漆、涂漆、喷砂的喷涂机器人；能把零件部件装配成整机的装配机器人；能检查产品质量，测量产品参数的检验机器人；包装产品的包装机器人等。农业机器人，包括代替农民种植、浇灌、除草、施肥、收割、储运的种田机器人；代替人养鱼、养牲畜、挤牛奶、剪羊毛的牧畜机器人；代替人伐木、整枝、造林的伐木机器人；代人进行收获果实，分选果实的收获机器人等。服务机器人，包括为主人做饭、打扫卫生、看门守夜、带孩子当保姆的佣人机器人；能帮助公务人员收发文件、接待客人的秘书机器人；代替护理人员为病人送食物和药品，帮助病人或残疾人洗澡和进行户外活动的护理机器人；能接待客人，为客人买票定票，开门开电视的旅馆服务机器人；为盲人带路，为残疾人服务的福利机器人等。作者此次的所设计的迎宾机器人即为此种类型，用于再宾馆、饭店等娱乐场所或商业部分的门前接待来访宾客。极限作业机器人，是指代替人在人难于接近或既危险又苛刻的环境中，完成复杂作业的机器人。包括进行宇宙探索开发的太空机器人；在原子核辐射条件下工作3焊接机器人运动学仿真及上机运算的机器人；在深海进行勘探开发或救援的深海机器人；建筑高楼的建筑机器人；在火灾现场从事救火的机器人等。极限作业机器人又称特种机器人。军用机器人，包括在战场上完成战斗、侦察等任务的机器人士兵；完成侦察、扫雷布雷、清理战场、运送物资、挖掘战壕、进行战斗的无人驾驶车辆；完成空中侦察、空中指挥、空中进攻的无人飞机等。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有将近一半的工业机器人用于各种形式的焊接加工领域，焊接机器人应用中最普遍的主要有两种方式，即点焊和电弧焊。图1-2所示是这两种焊接机器人在工业机器人中所占的大致比例。在所有工业机器人中点焊和电弧焊分别占有28%、20%，而其他的一些行业里的机器人大约占了50%。材料去除其他检测3%装配和装配7%5%材料加工30%材料涂覆7%电弧焊20%点焊28%图1-22002年1季度北美市场工业机器人用途统计我们所说的焊接机器人其实就是在焊接生产领域代替焊工从事焊接任务的工业机器人，其中有的是为某种焊接方式专门设计的，而大多数的焊接机器人其实就是通用的工业机器人装上某种焊接工具而构成的。在多任务环境中，一台机器人甚至可以完成包括焊接在内的抓物、搬运、安装、卸料等多种任务。机器人可以根据程序要求和任务性质，自动更换机器人手腕上的工具，完成相应的任务。因此，从某种意义上来说，工业机器人的发展历史就是焊接机器人的发展历史1。4焊接机器人运动学仿真及上机运算1.3工业机器人工业机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用。国外专家预测，机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，工业机器人市场也会越来越大，这就给工业机器人研究、开发、生产者带来巨大商机。然而机遇也意味着挑战，目前全球各大工业机器人供应商都已大力开拓中国市场，依靠自身优势，提高自主创新，寻求发展道路，是中国工业机器人生产企业在激烈市场竞争中需面对的问题。1954年美国的Devol最早提出了工业机器人思想，并申请了专利，该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人实行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现，这就是所谓的示教再现机器人。在此基础上1958年美国Consolidated公司制作了第一台工业机器人，作为机器人产品出售的最早的实用机型是1962年美国的AMF公司推出的Verstran和Unimation公司推出的UNIMATE。随着电子计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及空间技术的进步，机器人技术在一些发达国家迅速发展起来。机器人的最初出现是传统的机构学与近代电子技术相结合的产物。当前，机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术。是当代十分活跃的研究开发领域，它包括正在逐步深入的机器人学基础技术研究，也包扩对国民经济有着重要作用的机器人工程应用技术研究。1961年，美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。（1）操作机：通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。5焊接机器人运动学仿真及上机运算（2）控制器：控制器的性能进一步提高，已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴，并且实现了软件伺服和全数字控制。（3）传感装置：激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。（4）并联机构：采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。（5）网络通信：机器人控制器已实现了与Canbus、Profibus总线及一些网络的连接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展。另外由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大的提高。机器人系统的可靠性已达到6万小时，几乎可以满足任何场合的需求。机器人技术作为先进制造技术的典型代表和主要技术手段，它在提升企业技术水平、稳定产品质量、提高生产效率、实现文明生产等方面具有重大作用。大工业革命曾使人沦落为机器的奴隶，而机器人的诞生和广泛推广应用又重新使人类恢复了尊严。目前机器人技术已成为世界各发达国家竞相发展的高技术，其发展水平已成为衡量一个国家技术发展程度的重要标志之一工业机器人作为现代制造业主要的自动化装备，已广泛应用于汽车、摩托车、工程机械、电子信息、家电、化工等行业，主要用于完成焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。日本、北美、欧洲、韩国等工业经济发达地区是工业机器人生产和应用的主要地区。据统计，目前全世界已有近100万台机器人投入使用，其中用于完成各种焊接作业的焊接机器人占全部机器人的45%(以上。在我国，人工焊接仍然占据焊接作业的主导地位，人工焊接时焊接工人经常会受到心理、生理条件变化以及周围环境的干扰。在恶劣的焊接条件下，操作工人容易疲劳，难以较长时间保持焊接工作稳定性和一致性，而焊接机器人则工作状态稳定，不会疲劳。因而，选择应用焊接机器人对产品进行焊接可以实现用稳定一致的工艺条件确保产品焊接强度和满足产品各项性能指标的要求，同时满足焊缝成型良好的产品外观质量要求。6焊接机器人运动学仿真及上机运算工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的重要的现代制造业自动化装备。在国外,工业机器人技术日趋成熟,己经成为一种标准设备而得到工业界广泛应用,从而也形成了一批在国际上较有影响力的、知名工业机器人公司。目前,国际上的工业机器人公司主要分为日系和欧系。日系中主要有安川、松下、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的、瑞典的、意大利的毗及奥地利的工公司。工业机器人己成为柔性制造系统、工厂自动化、计算机集成制造系统的自动工具。据专家预测,机器人产业是继汽车、计算机之后出现的一种新的大型高技术产业。年至年,根据联合国欧洲经济委员会和国际机器人联合会的统计,世界工业机器人市场前景看好,年增长率平均在左右。年增长率达到创记录的,其中亚洲工业机器人增长幅度最为突出,高达。年,全球新安装工业机器人的数量将超过十万套。世界各国主要行业对工业机器人的需求如图1-3所示2。图1-3世界各国主要行业对机器人分布的需求分布工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、工业机器人的应用领域主要有弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业,具体应用比例见图所示。国际上工业机器人技术在制造业应用范围越来越广阔,其标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高,功能越来越强,正向着成套技术和装备的方向发展。在发达国家中,工业机器人自动化生产线成套装备己成为自动化装备的主流及未来的发展方向。国外汽车行业、电子电器行业、工程机械等行业己大量使用工业机器人自动化生产线,以保证产品质量和生产高效率。目前,典型的成套装备奋大型轿车壳体冲压自动化系统技术和成套装备、大型机器人车体焊装自动化系统技术和成套装备、电子电器等机器人柔性自动化装配及检测成套技术和装备、机器人7焊接机器人运动学仿真及上机运算发动机、变速箱装配自动化系统技术成套装备以及板材激光拼焊成套装备等。这些机器人自动化成套装备的使用,大大推动了其行业的快速发展,提升了其行业的制造技术水平。与此同时,随着工业机器人向更深更广的方向发展以及智能化水平的提高,工业机器人的应用已从传统制造业推广到其他制造业,进而推广到诸如采矿、建筑、农业、灾难救援等各种非制造行业。此外,在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域,机器人的应用也越来越多,如无人侦察机飞行器、警备机器人、医疗机器人、家用服务机器人等均有应用实例。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着越来越重要的作用,己经成为世界各国抢占的高科技至高点。1.4焊接机器人焊接机器人的应用，不但改善了劳动环境、减轻劳动强度、提高升产效率，更主要原因是焊接机器人工作的稳定性和焊接产品质量的一致性，这对于保证批量生产的产品焊接质量至关重要。因此，汽车制造业成为焊接机器人应用的主要行业。国外一些年产20万辆以上的大型汽车制造厂及其部件生产厂，一般都有300-4000台各种类型的机器人在生产中服务。在汽车行业的机器人应用中以焊接机器人和喷涂机器人为主，其中焊接机器人占75%以上。国际上发达工业国家的机器人使用密度非常高，在汽车行业尤其如此，它是一般制造业机器人使用密度的5-10倍。由于我国机器人技术发展的时间较短，无论是一般制造业还是汽车制造业，其机器人的使用密度都非常低，所拥有的机器人数量同工业发达国家的平均水平相比都还具有相当大的发展空间。我国企业为增强制造业的竞争能力，提高装备水平和自动化水平，使用机器人进行焊接作业是促进企业科技进步、改善企业形象、提高产品质量，实现用高新技术改造传统产业的重要手段。因此,我国焊接机器人市场前景广阔、发展潜力巨大。通常情况下，焊接机器人系统由焊接机器人、机器人焊机、变位机以及回转工作台等周边装置、焊接夹具、安全装置等组成。焊接机器人的工作对象几乎和手工焊接一样广泛，可以焊接低碳钢、不锈钢、铝材、铜材等。焊接材料的厚度可以从零点几毫米到几毫米、十几毫米、直至几十毫米。高性能的多自由度焊接机器人和人手臂一样灵巧，能够灵活调整焊枪姿态，实现对工件的最佳焊接。焊接机器人8焊接机器人运动学仿真及上机运算在汽车行业中，主要应用的工艺部位包括车身、车架、车门、车窗、底板、车轴组件、前后桥、转向架、座椅、消音器、净化器、油箱等。摩托车行业近几年发展迅速，我国已步入世界摩托车生产大国，摩托车车架手工焊接质量难以保证，一直是长期困扰我国摩托车行业产品质量提高难以保证，一直是长期困扰我国摩托车行业产品质量提高和走向国际市场的主要因素，而应用机器人进行焊接则是解决这一问题的最佳途径。工程机械零部件的机器人焊接一般对机器人焊接系统要求较高，系统主要由弧焊机器人、焊接系统、变位机和工装夹具以及计算机控制系统几大部分组成，通常要求具有多轴7-9轴协调联动、焊缝自动跟踪、焊接起始点自动寻找、多层焊、焊枪参数自动校正以及断弧自动再起弧等功能。众所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟练的操作技能、丰富的实践经验、稳定的焊接水平；另一方面，焊接又是一种劳动条件差、烟尘多、热辐射大、危险性高的工作。工业机器人的出现使人们首先想到用它代替人的手工焊接，减轻焊工的劳动强度，同时也可以保证焊接质量和提高焊接效率。然而，焊接又与其他工业加工过程不一样，比如电弧焊过程中，被焊工件由于局部加热熔化和冷却产生变形，焊缝的轨迹会因此而发生变化。手工焊时有经验的焊工可以根据眼睛所观察到的实际焊缝位置，适时调整焊枪的位置、姿态和行走速度，以适应焊缝轨迹的变化。然而机器人要适应这种变化，首先必须像人一样“看”到这种变化，然后采取相应的措施调整焊枪的位置和状态，实现对焊缝的实时跟踪。由于电弧焊接过程中有强烈弧光、电弧噪声、烟尘、熔滴过渡不稳定引起的焊丝短路、大电流强磁场等复杂的环境因素的存在，机器人要检测和识别提取焊缝所需要的信号特征并不像工业制造中其他加工过程的检测那么容易，因此，焊接机器人的应用并不是一开始就用于电弧焊的焊接过程。实际上，工业机器人在焊接领域的应用最早是从汽车装配生产线上的电阻点焊开始的。原因在于：电阻点焊的过程相对比较简单，控制方便，且不需要焊缝轨迹跟踪，对机器人的精度和重复精度的控制要求比较低。不同形式的机器人点焊钳如图1-4所示。9焊接机器人运动学仿真及上机运算图1-4不同形式的机器人点焊钳点焊机器人在汽车装配生产线上的大量应用，大大提高了汽车装配焊接的生产率和焊接质量，同时又具有柔性焊接的特点，即只要改变程序，就可在同一条生产线上对不同的车型进行装配焊接31.5计算机仿真技术1.5.1计算机仿真技术发展计算机仿真(ComputrSimulation)(或称系统仿真Systemsimulation)是作为分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法,随着系统科学研究的深入、控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的一门新兴学科。近年来,随着信息处理技术的突飞猛进,使仿真技术得到迅速发展。本文根据作者的研究体会,试图从仿真的含义入手,讨论现代仿真方法、建模方法、仿真算法、可信度研究等,为在系统仿真中合理、有效地运行仿真新方法和新技术做一些探索。仿真技术经过半个多世纪的发展，从研究简单系统到现在已经成为人们研究复杂系统的有力工具，大致经历了三个阶段。（1）发展阶段二次大战末期，火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展，20世纪40年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。50年代末期到60年代，导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究、仿真技术在阿波罗登月计划及核电站的广泛应用、以及50年代末第一台混合计算机系统用于洲际导弹10焊接机器人运动学仿真及上机运算的仿真，促进了仿真技术的发展。这是仿真技术的发展阶段。（2）成熟阶段在军事需求推动下，70年代中期，仿真技术不但在军事领域迅速发展，而且扩展到许多领域。在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品。相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司。例如美国的GSE公司、ES公司、ABB公司、Dynetics公司等，使仿真技术达到了产业化阶段。这标志着仿真技术进入了成熟阶段。70年代末，国际政治军事格局的改变，为仿真技术的发展创造了新的机遇。一方面，随着世界范围内冷战状态的缓和，各国政府纷纷把投资重点转向了本国的经济建设，并开始大规模地削减常规军队，大规模的军事演习不仅受到政治环境的约束，同时也受到经济状况的制约，与之相矛盾的是现代战争越来越强调部队联合作战能力的培训以及战略战术的运用；另一方面，现代武器系统装备越来越复杂，武器系统研制的费用越来越高，研制周期越来越长，培训使用操作人员的时间也越来越长，必须找到研制开发新武器系统的更加有效的途径和方法，形成一个新武器的决策者、开发者与使用者协调配合、共同参与的武器研制体系，缩短武器系统研制开发的周期和成本，这成为各国军方都在探索的问题。仿真技术为解决这些问题提供了一条有效的技术途径。同样，随着技术进步，工业生产设备越来越复杂，操作水平要求越来越高，面临着与武器系统装备同样的问题。这种技术需求推动了仿真技术快速发展。（3）高级阶段20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(SimMlatorsNetwork)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志，标志着仿真技术发展到了一个新的高级阶段。SIMNET计划是分布交互仿真的初型和开始。到90年代，各个部门相继建设分布交互仿真系统、并行分布交互仿真系统、聚合级仿真系统。这些仿真系统绝大多数是针对某领域的具体需求而建立的，它们之间不能互操作，其应用和各组件也不能在新的仿真应用和开发中得到重用。随着国防工业和工业系统的发展，被仿真的系统日益复杂，规模越来越大，若各应用部门根据各自的需要完全从头开始开发大型仿真系统，工作效率低，财力人力浪费大，且模型和仿真结果的准确性、可信度难以保证。为了更好的实现信息、资源共享，促进仿真系统的互操作和重用，到90年代，以美国为代表的发达国家在分布交互仿真、先进的并行分布交互仿真以及聚合11焊接机器人运动学仿真及上机运算级仿真的基础上，仿真技术开始向仿真的高层体系结构(HLA)发展。HLA是促进所有类型仿真之间互操作、仿真模型组件重用的高级协议。计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，以数值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研究。在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气传动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用。与传统的经验方法相比，计算机仿真的优点是：能提供整个计算机域内所有有关变量完整详尽的数据；不用进行系统实验；可预测某特定工艺的变化过程和最终结果，使人们对过程变化规律有深入的了解；在测量方法有困难情况下是唯一的研究方法。此外，数字仿真还具有高效率、高精度和进行实际系统难以进行具有破坏性或危险性的实验研究等优点。1.5.2仿真方法学研究“仿真是一种基于模型的活动”,它涉及多学科、多领域的知识和经验。成功进行仿真研究的关键是有机、协调地组织实施仿真全生命周期的各类活动。这里的“各类活动”,就是“系统建模”、“仿真建模”、“仿真实验”,而联系这些活动的要素是“系统”、“模型”、“计算机”。其中:系统是研究的对象,模型是系统的抽象,仿真是通过对模型的实验来达到研究的目的。传统上,“系统建模”这一活动属于系统辩识技术范畴,仿真技术则侧重“仿真建模”,即针对不同形式的系统模型研究其求解算法,使其在计算机上得以实现。至于“仿真实验”这一活动,通常只注重其“仿真程序”的检验(verification),至于如何将仿真实验结果与实际系统的行为进行比较这一根本性问题(validation)缺乏从方法学的高度进行研究。现代仿真技术的一个重要进展是将仿真活动扩展到上述三个方面,并将其统一到同环境中。Oren将上述思想加以总结,提出了现代仿真方法的概念框架,如图1-5所示。12焊接机器人运动学仿真及上机运算图1-5现代仿真的示意图“仿真问题描述”对应于“仿真建模”;“行为产生”对应于“仿真实验”,只是将仿真输出独立于行为产生;“模型行为及其处理”相应于输出处理。现代仿真技术的重要进展主要体现在:(1)系统建模方面:传统上,多通过实验辩识来建立系统模型。近十几年来,系统辩识技术得到飞速发展。在辩识方法上有时域法、频域法、相关分析法、最小二乘法等;在技术手段上有系统辩识设计、系统模型结构辩识、系统模型参数辩识、系统模型检验等。除此之外,近年来还提出了用仿真方法确定实际系统模型的方法;基于模型库的结构化建模方法:面向对象建模(objectorientedmodelling)方法等。特别是对象建模,可在类库基础上实现模型的拼合与重用。(2)仿真建模方面:除了适应计算机软、硬件环境的发展而不断研究新算法和开发新软件外,现代仿真技术采用模型与实验分离技术,即模型数据驱动(datadriven)。将模型分为参数模型和参数值,以便提高仿真的灵活性和运行效率。(3)仿真实验方面:现代仿真技术将实验框架与仿真运行控制区分开。其中,实验架用来定义条件,包括模型参数、输入变量、观测变量、初始条件、输出说明。这样,当需要不同形式的输出时,不必重新修改仿真模型,甚至不必重新仿真运行。正是由于现代仿真方法学的建立,特别是模拟可重用性(Reusability)、面向对象方法(ob2jectoriented)和应用集成(ApplicationIntesration)等新技术13焊接机器人运动学仿真及上机运算的应用,使得仿真、建模与实验统一到一个集成环境这中,构成一个和谐的人机交互界面。1.5.3仿真算法研究仿真算法研究是计算机仿真中的重要内容。仿真算法主要研究:算法的收敛性和数值的稳定性、算法精度、算法速度、实时性等。目前,这些方面研究较为成熟的常用算法有:(1)基于微分方程的数值解的数值积分法。如RungeKutta法、AdameBashforth显示公式法、AdameMoutton隐式公式法、Hamming积分法和Adama预测校正公式法,等等。这类算法中影响积分精度的主要因素是积分方法和计算步长。(2)基于状态方程的(如离散相似法)求解算法,可归结于求矩阵指数eAT。求矩阵指数的算法很多,较多使用的是级数展开法。如泰勒级数展开法、派德(Pade)逼近法等。不过,对于线性病态系统的仿真,为了确保算法的有效性(即可靠性),通常不直接使用这两种算法,而是先进行一些特殊处理。例如,目前最常采用的缩方与乘方、蛙跳算法等。(3)非线性病态系统的仿真算法。在非线性病态仿真中涉及稳定域的稳定、病态性的判别和切换,目前常用的算法有吉尔(Gear)法、特雷尔(Treanor)法和多帧速算法等。此外,还有基于模型转换的有关算法、并进行仿真算法和基于系统辨识的算法。1.5.4仿真可信度研究仿真可信度研究是随着建模与仿真(ModelingandSimulation,简称M&S)复杂程度的不断增加,M&S的正确性和可信度问题越来越重要而形成的一个研究项目。因为一个不正确的仿真结果可能将导致重大的决策失误,所以,对如何保证M&s的正确性和可信度的研究,引起了仿真理论界的足够重视。也就是在这种背景下,导致了计算机仿真试验、验证与确认(Verfication,ValidationandAccreditation,简称M&A)技术的产生、发展和应用。VV&A与M&S的关系如图1-6所示。14焊接机器人运动学仿真及上机运算图1-6VV&A与M&S随着可信度研究的深入,近年来又提出了仿真测试与评估(TestandEvaluation,简称T&E),并将它作为可信度的有机整体,统称为可信度评估。目前关于仿真可信度评估的研究工作主要集中在以下方面:(1)仿真系统可信度评估的概念框架;(2)仿真系统可信度评估过程模型;(3)仿真系统可信度评估指标的量化;(4)仿真系统可信度评估方法;(5)仿真系统可信度评估的辅助工具。我国VV&A研究与国外相比,虽然起步较晚,但研究进展较快。特别是近年来,许多专家纷纷发表文章,对仿真与建模的VV&A和T&E进行研究和探讨4。1.5.5仿真的方法的分类(1)实物仿真：它是对实际行为和过程进行仿真，早期的仿真大多属于这一类。物理仿真的优点是直观、形象，至今在航天、建筑、船舶和汽车等许多工业系统的实验研究中心仍然可以见别。比如：用沙盘仿真作战，利用风洞对导弹或飞机的模型进行空气动力学实验、用图纸和模型模拟建筑群等都是物理仿真。但是要为系统构造一套物理模型，不是一件简单的事，尤其是1分支杂的系统，将耗费很大的投资，周期也很长。此外，在物理模型上做实验，很难改变系统参数，改变系统结构也比较困难。至于复杂的杜会、经济系统和生态系统就更无法用实物来做实验了。(2)数学仿真。就是用数学的语言、方法去近似地刻画实际问题，这种刻画的数学表述就是一个数学模型。从某种意义上，欧几里德几何、牛顿运动定律和微积分15焊接机器人运动学仿真及上机运算都是对客观世界的数学仿真。数学仿真批研究对象(系统)的土妥特征或输入、输出关系抽象成一种数学表达式来进行研究。数学模型nJ分为：解析模型(用公式、方程反映系统过程)；统计模型(蒙特L罗方法)；表上仲fL演练模型；然而数学仿真也面临一些问题，主要表现在以下几个方面：现实问题可能无法用数学模型来表达，即刻画实际问题的表达式不存在或找不到；找到的数学模型由于太复杂而无法求解；求出的解不正确，可能是出模型的不正确或过多的简化近似导致的。(3)混合仿真。又称为数学物理仿真，或半实物仿真，就是把物理模型和数学模型以及实物联合在起进行实验的一种方法，这样往往可以获得比较好的结果。16焊接机器人运动学仿真及上机运算第二章设计方案2.1设计任务本设计的题目是焊接机器人的仿真计算（上机），主要内容是设计一台机器人（一部分：焊接仿真计算）满足自动化生产的需要。以减轻工人的体力劳动强度；特别在成批生产的单位具有更重要的意义；提高工厂自动化的程度。设计的机器人基本参数要求如下：焊接机器人身高：1500-2000mm；使用交流永磁式伺服电机；焊接的型式为弧焊,弧上中心点是处于焊接机器人运动的最佳位置。2.1.1说明部分编写开题报告一份;翻译外文一份；查阅外文资料,译文不少于2万字符.编写论文一份，其中包括：（1）设计目的及设计任务；（2）论文综述:查阅中外有关资料和专利,综述相关内容；（3）焊接机器人整体急焊架的结构设计；（4）手部位置及姿态分析，速度及加速度分析，位置的逆运算，程序框图；（5）上机运算并绘出电机转角与手部位置的表格；（6）初估总体价钱,进行经济分析。2.1.2计算部分:焊接机器人手部的逆运算程序及结果仿真（上机）推导出焊接机器人逆运算的算法，建立数学模型，编写程序，得出仿真结果。2.1.3绘图部分：焊接机器人整机外形简图，工作范围图机工件图一张。17焊接机器人运动学仿真及上机运算2.2总体设计方案机械手的工作范围是一个有一系列空间点组成的三维空间区域,其解域通过运动学正解法求得；求得焊接机器人手部工作范围后，确定工作台的位置，以确定焊缝的位置和焊枪相对于工件的夹角（即姿态）；通过正解所确定的焊缝的位置和焊枪相对工件的夹角(即姿态)求各关节的转角,由运动学逆解法求得；通过谐波减速器的选择确定电机的转角。手部工作范围通过AutoCad获得，通过vb2005等语言进行编程求得仿真结果。其具体步骤如下：第一步用DH法建立杆件坐标系，并利用矩阵进行运动学正解。第二步运动学正解求位姿，以确定工作台的位置为运动学逆解提供依据。正向求解问题,即给出机器人6个关节变量i求出手部位姿各矢量n,o,a和p。第三步，运动学逆解求关节变量，即已知机器人手部要到达的空间位姿n,o,a和p的情况下,求出关节变量i并通过传动比的确定以求得电机的转角。运动逆解可分为两步：第一步:求机器人腰、肩、肘的角度第二步,求决定机器人手部姿态的腕部3个关节的大小.由于机器人的前3个关节已经确定了一定的姿态,故而腕部3关节必须在前3个关节的基础上求解。第三步求出决定机器人位姿的6个关节的角度值.一旦知道了机器人的手部的位姿,便可以用以上的分析求出机器人每个关节的角度值.仿真结果(1)工作范围仿真结果：通过已知的焊接机器人各部分的长度和工作范围大小，画出工作范围图，以确定工作台的位置，进而确定工作台各点坐标，取23个点进行仿真。(2)焊接机器人正运算程序。(3)焊接机器人逆运算程序。(4)焊接机器人验证运算。18焊接机器人运动学仿真及上机运算第三章机器人整体结构设计本设计课题中的机器人有机座，腰部，大臂，小臂，手腕及手部组成。该机器人是关节型机器人，它主要有回转和旋转自由度构成，可以看成是仿人手臂的结构，它是具有肘关节的连杆结构，这时，由肘至手臂根部的部分为大臂，由肘到腕部的部分为小臂，这种结构，对于确定三维空间的任意位置和姿态是最有效的。其特点是占地小，工作空间大，结构紧凑；而且还能绕过机器人和工作主机之间的障碍物进行操作，这一优是其他几类坐标系式的工业机器人所难以达到的。它对于各种各样的作业优良好的适应性，但其短处是坐标计算和控制比较复杂，且难以达到高精度。3.1机器人的组成各种工业机器人都由控制系统、驱动系统及执行机构三部分组成。驱动系统往往与执行机构在设计上是一体的。因此也可以把机器人归纳为由控制系统，动力系统和操作系统组成。执行机构也称操作机。他由一系列连杆或其他形式运动副所组成，从而可以实现各个方向的运动。就结构而言，他主要包括机座，立柱，手臂，腕关节和手部等机构。1.机座机座是工业机器人的基础部分。整个执行机构和驱动系统都安装在机座上。2.立柱立柱是工业机器人手臂的支撑部分，根据坐标系的不同，立柱可以在机座上转动也可以和机座做称一体。3.手臂手臂是连接机身，立柱，与腕关节，手部之间的纽带。他的运动范围直