陈卓毕业设计终极版

毕业设计（论文）I工业机器人三维设计与运动分析摘要在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合设计要求，设计了一种小型的、固定在AGV上以实现移动的六自由度串联机器人。首先，针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用DH方法建立了坐标变换矩阵，写出运动学方程。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了经验。关键词机器人；运动学分析；工作空间分析；虚拟样机技术陈卓工业机器人三维设计与运动分析IIINDUSTRIALROBOTOF3DMODELINGANDANALYSISOFTHEMOVEMENTABSTRACTINTHEMODERNLARGESCALEMANUFACTURINGINDUSTRY,ENTERPRISESPAYMOREATTENTIONONTHEAUTOMATIONDEGREEOFTHEPRODUCTIONPROCESSINORDERTOENHANCETHEPRODUCTIONEFFICIENCY,ANDGUARANTEETHEPRODUCTQUALITYASANIMPORTANTPARTOFTHEAUTOMATIONPRODUCTIONLINE,INDUSTRIALROBOTSAREGRADUALLYAPPROVEDANDADOPTEDBYENTERPRISESTHETECHNIQUELEVELANDTHEAPPLICATIONDEGREEOFINDUSTRIALROBOTSREFLECTTHENATIONALLEVELOFTHEINDUSTRIALAUTOMATIONTOSOMEEXTENT,CURRENTLY,INDUSTRIALROBOTSMAINLYUNDERTAKETHEJOPSOFWELDING,SPRAYING,TRANSPORTINGANDSTOWINGETC,WHICHAREUSUALLYDONEREPEATEDLYANDTAKEHIGHWORKSTRENGTH,ANDMOSTOFTHESEROBOTSWORKINPLAYBACKWAYBASEDONLARGERNUMBEROFRELATIVELITERATURESANDCOMBINEDWITHTHENEEDOFPROJECT,THEAUTHORHAVEDESIGNEDAKINDOFSMALLSIZESERIALROBOTWITH6DEGREEOFFREEDOMWHICHCANBEFIXEDONTHEAGVTOCONSTRUCTAMOBILEROBOTWRITETHEKINEMATICSEQUATION，THESEWORKSPROVIDEDABASISTOTHESTRUCTUREDESIGN,KINEMATICSANALYSEANDCONTROLATLAST,THEROBOTARMSKINEMATICSWASSIMULATEDBYUSINGSOFTWAREADAMS,ANDTHESIMULATIONRESULTWASANALYZEDINTHEEXPERIMENT,THEAUTHORTRIEDTOUSETHEVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGYINMECHANISMDESIGNKEYWORDSROBOTKINEMATICSANALYSISWORKINGSPACEANALYSISVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGY毕业设计（论文）III目录引言1第1章绪论211机器人概述212机器人的历史、现状213机器人发展趋势414研究课题的提出415本论文研究的主要内容4第2章工业机器人总体方案的确定和机械系统设计521工业机器人相关知识点522工业机器人总体方案的确定6第3章运动学分析1231工业机器人连杆坐标系的建立1232工业机器人运动学方程13第4章基于ADAMS的运动学仿真1641ADAMS功能介绍1642基于ADAMS的机器人运动学仿真1743ADAMS环境下6自由度机器人的动力学仿真分析20结论与展望27参考文献29附录30附录A外文文献及其译文30附录B主要参考文献摘要39陈卓工业机器人三维设计与运动分析IV插图清单图21手臂的几种结构构型6图22末端执行器空间运动姿态7图23手腕的4种形式7图24工业机器人的总体构型8图25机械手手指形状9图26机械手机构简图9图27工业机器人总体模型图10图31工业机器人连杆坐标系12图41将文件导入到ADAMS中18图426自由度机器人的虚拟样机模型19图43处理后机器人的虚拟样机模型20图44末端点在X方向上的位移曲线20图45末端点在Y方向上的位移曲线21图46末端点在Z方向上的位移曲线21图47末端点在X方向上的速度曲线21图48末端点在X方向上的速度曲线22图49末端点在X方向上的速度曲线22图410末端点在X方向上的加速度曲线22图411末端点在Y方向上的加速度曲线23图412末端点在Z方向上的加速度曲线23图413中间点在X方向上位移曲线23图414中间点在X方向上位移曲线24图415中间点在X方向上位移曲线24图416中间点在X方向上速度曲线24图417中间点在Y方向上速度曲线25图418中间点在Z方向上速度曲线25图419中间点在X方向上加速度曲线25图420中间点在Y方向上加速度曲线26图421中间点在Z方向上加速度曲线26毕业设计（论文）V插表清单图31工业机器人连杆坐标系12安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）1引言工业机器人是一种仿人操作、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生产设备1。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。典型的工业机器人如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多固定在生产线或加工设备旁边作业,随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深,机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用具有现实意义。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现代制造业重要的自动化装备。工业机器人的诞生可显著提高劳动生产率、改善作业环境等。所以本课题的研究具有很强的实用意义，本课题研究的主要内容对工业机器人进行总体结构设计；绘制各零部件的二维图及装配图；利用ADAMS进行运动分析。陈卓工业机器人三维设计与运动分析2第1章绪论11机器人概述在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。“工业机器人”（INDUSTRIALROBOT）多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人）。机器人是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机器人称为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机器人一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机器人，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（MANIPULATOR）。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机器人来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“MECHANICALHAND”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采用这种机构形式的机器人。12机器人的历史、现状机器人首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机器人。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机器人后，大力从事机器人的研究。目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMSFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEM和柔性制造单元FMCFLEXIBLEMANUFACTURINGCELL中的重要一环。安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）3随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机器人代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构的机器人系统。美国工业机器人技术的发展，大致经历了以下几个阶段（1）19631967年为试验定型阶段。19631966年，万能自动化公司制造的工业机器人供用户做工艺试验。1967年，该公司生产的工业机器人定型为1900型。（2）19681970年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段，例如，美国通用汽车公司1968年订购了68台工业机器人；1969年该公司又自行研制出SAM新工业机器人，并用21组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱斯勒汽车公司32条冲压自动线上的448台冲床都用工业机器人传递工件。（3）1970年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。19701972年，工业机器人处于技术发展阶段。1970年4月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机器人会议。据当时统计，美国大约200台工业机器人，工作时间共达60万小时以上，与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如森德斯兰德公司（SUNDSTRAND）发明了用小型计算机控制50台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由25台机器人组成的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机器人。其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从1967，1968年开始以美国的“VERSATRAN”和“UNIMATE”型机器人为蓝本开始进行研制的。就日本来说，1967年，日本丰田织机公司引进美国的“VERSATRAN”,川崎重工公司引进“UNIMATE”，并获得迅速发展。通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国并超过其他国家。经过大约10年的实用化时期以后，从1980年开始进入广泛的普及时代。我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚56年，但是由于种种原因，工业机器人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。陈卓工业机器人三维设计与运动分析413机器人发展趋势随着现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操作状态，提高了生产效率。就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势A提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人；B开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合；C研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等，用传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微机进行控制。14研究课题的提出工业机器人固定在机床或加工中心旁边，由它们完成对加工工件的上、下料和装夹作业，通过输送线运送工件，实现物流的运转。当所要加工的产品放生变化、工件工艺流程改变时，就要调整柔性制造系统的布局。现在设想，将工业机器人固定在自动引导车（AGV）上，改变自动引导车的轨迹，就可以适应工件和工件工艺流程的变化，大大提高加工系统的柔性。此外，对于这类小型的机器人，在原理不变的情况下，改变其结构，增强人机功能，将它固定在小型的移动装置或直接与移动装置结合成一体，就可以应用到日常生活中，如生活中物体的搬运、人员的看护等。因此，设计开发这样一种可移动式、多自由度的小型机器人是有实际意义的。15本论文研究的主要内容系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础上，结合作者本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，主要进行以下几项工作（1）进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计。2进行机器人运动学分析。3分析机器人操作臂的工作空间，根据分析结果对操作臂各个杆件的长度进行选择和确定。4利用机械系统动力学分析软件ADAMS对简化后的操作臂模型进行运动学仿真，对在机械设计中使用虚拟样机技术进行尝试和探索。安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）5第2章工业机器人总体方案的确定和机械系统设计21工业机器人相关知识点211工业机器人的组成机器人主要由驱动装置、控制系统和执行机构三大部分组成。A驱动装置工业机器人的驱动装置包括驱动器和传动机构两部分，它们通常与执行机构连成一体。传动机构常用的有谐波减速器、滚珠丝杠、链、带以及各种齿轮轮系。驱动器通常有电机直流伺服电机，步进电机，交流伺服电机，液动和气动装置，目前使用最多的是交流伺服电机。B控制系统控制系统一般由控制计算机和驱动装置伺服控制器组成。后者控制各关节的驱动器，使各杆按一定的速度，加速度和位置要求进行运动。前者则是要根据作业要求完成偏差，并发出指令控制各伺服驱动装置使各杆件协调工作，同时还要完成环境状况，周边设备如电焊机，工卡具等之间的信息传递和协调工作。C执行机构执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。1腰部腰部是连接臂和基座的部件，通常是回转部件，腰部的回转运动再加上臂部的平面运动，就能使腕部作空间运动。腰部是执行机构的关键部件，它的制造误差，运动精度和平稳性，对机器人的定位精度有决定性影响。2基座基座是整个机器人的支持部分，有固定式和移动式两种。该部件必须具有足够的刚度和稳定性。3手部手部它具有人手某种单一动作的功能。由于抓取物件的形状不同，手部有夹持式和吸附式等形式。夹持式手部是由手指和传力机构所组成。手指是直接与物件接触的机构。常用的手指运动形式有回转型和平移型。吸附式手部有负压吸盘和电磁吸盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网孔状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。4腕部腕部与手部相连，通常有3个自由度，多为轮系结构，主要功用是带动手部完成预订的姿态，是操作机中结构最为复杂的部分。5臂部臂部用以连接腰部和腕部，通常由两个臂杆小臂和大臂组成，用以带动腕部作平面运动。212工业机器人的分类A）按坐标形式分为直角坐标式代号PPP；圆柱坐标式代号RPP；球坐标式代号RRP；关节坐标式代号RRR，又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面水平关节坐标。B按驱动方式分为电力驱动、液压驱动和气压驱动。电力驱动的驱动元件可以是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。液压驱动可以获得很大的抓取能力可抓取高达上千牛力，传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高，不宜于在高、低温现场工作，需配备一套液压系统。采用气压驱动的机器人结构简单、动作迅速、价格低；但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，抓取力小几十牛力至百牛力。陈卓工业机器人三维设计与运动分析6C按控制方式分为点位控制和连续轨迹控制。点位控制方式简单，适用于上下料、点焊、卸运等作业。连续轨迹控制比较复杂，常用于焊接、喷漆和检测的机器人中。22工业机器人总体方案的确定221方案要求由上所述，该设计工业机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在56个，结构紧凑，重量轻。222本体结构设计A）自由度个数的确定与数分配工业机器人的自由度个数是腕部和臂部的自由度个数之和，所以确定了腕部和臂部的自由度个数确定了总的自由度个数。手腕的按自由度数可分为目前可分为单自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕，通常要求腕部能实现对空间的三个坐标轴X、Y、Z的转动，既具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。臂部自由度的确定，为了使手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。综上所述，本设计中工业机器人的自由度数确定为六个，其中腕部和臂部各三个。B臂部结构的设计手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们能在空间运动。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图21图21手臂的几种结构构型由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）7同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构。C腕部结构的设计手腕是操作机的小臂上臂和末端执行器手爪之间的连接部件。其功用是利用自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般机器人，末杆即与末端执行器相联结的杆都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态即方向，可用两个方位确定。如图22图22末端执行器空间运动姿态本课题中所研究的工业机器人为了更加灵活的工作，采用了三个自由度。三自由度的手腕通常有以下四种形式BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如图23图23手腕的4种形式B表示弯曲结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。R表示转动结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。参考一些实例，本课题中选用RBR型。陈卓工业机器人三维设计与运动分析8D）总体构型综合以上对本课题所研究的工业机器人的设计，确定总体构型如图24图24工业机器人的总体构型其中前三个关节决定了末端执行器在空间的位置，后三关节决定了末端执行器在空间的姿态。223末端执行机构的设计末端执行器是使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等）进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类（1）夹钳式取料手（2）吸附式取料手（3）专用操作器及转换器（4）仿生多指灵巧手本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从不同角度抓取工件的钳形指。手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图25安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）9图25机械手手指形状传动机构是向手指传递运动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。为本课题中所设计的三维图如图26图26机械手机构简图224工业机器人的三维建模与各部件分析由上所述，本文确定的方案为6自由度的工业机器人，具体关节结构由回转主体具体关节结构由回转主体（腰关节）、大臂（肩关节）、小臂（肘关节）、腕部（腕关节）等几个部分组成。机器人回转主体实现机器人主体的回转，有固定底座和腰关节组成。本方案采用电机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的6个关节都采用步进电机驱动，开环控制。在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用陈卓工业机器人三维设计与运动分析10普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承。在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动。第1个关节即腰关节的运动是由伺服电机传递动力和变速给腰关节产生回转运动腰关节上伺服电机通过轮系驱动大臂的俯仰运动，另一个伺服电机通过轮系驱动小臂的俯仰运动后3个关节的伺服电机驱动着手腕的回转、夹持器的摆动以及夹持器的周转运动前3个关节JL、J2、J3控制着机器人末端执行器的位置，而后3个关节J4、J5、J6控制机器人末端执行器的姿态本课题所设计的工业机器人负重能力为6KG，重复定位精度达O08MM，参考同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器人的运动参数如下A动作范围最大运动速度J1轴340150SJ2轴250160SJ3轴340170SJ4轴3804OOS）J5轴280400SJ6轴720520SB最大负荷6KGC连杆参数和关节变量在完成对该工业机器人总体结构及参数分析确定以后，利用三维软件进行建模，所建模型如下图图27工业机器人总体模型图1底座部件2腰部回转部件3大臂部件4小臂部件5手腕部件6末端执行器总体运动及各部件说明安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）11如上图所建模型所示，安装在腰关节的驱动电机驱动腰关节的回转。安装在大臂与小臂关键额连接处的驱动电机驱动小臂做上下俯仰。机器人的腕部位于小臂臂体前端，安装在小臂上的电机驱动小臂做上下俯仰。腕部的三个自由度由安装在腕部后端达的3个电机，通过传动杆件腕部齿轮系实现，安装在腕部后端电机保证机器人末端重量极可能的轻，满足机器人的配重法则。1底座部件底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。2腰部回转部件腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。3大臂部件包括大臂和传动部件。4小臂部件包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。5手腕部件包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。6末端执行器用于抓取物体。陈卓工业机器人三维设计与运动分析12第3章运动学分析31工业机器人连杆坐标系的建立机器人的位姿描述包括位置和姿态的描述，即要确定其3个位置坐标位置自由度和3个旋转坐标姿态自由度刚体的位置、姿态可由其上的任一基准点和过该点的坐标系与参考坐标系的相对关系来确定，所以，对机器人进行运动学分析，具体讲就是对机器人及其各部分建立坐标系，并分析各坐标系之间的关系，由此确定机器人的运动规律闭由于齐次坐标是一种系统性及规范性都很强的方法，采用齐次坐标描述机器人的各个机构，不仅有利于形成机器人运动的控制算法，也为机器人视觉的图像处理提供了方便，是机器人的众多描述方法中较简单、统一的一种大多机器人资料中都有关于齐次坐标的描述，这里不再赘述。本课题所设计的工业机器人实际上是由一个个转动关节连接起来的开链式连杆系统，每个独立驱动的关节决定着机器人的一个自由度为了描述各杆件之间的关系，需要在每一个杆件上设置坐标系。目前较流行的坐标系建立方法是DH方法，是有DENAVIT和HARTENBERG于1955年提出的一种为关节链中每一杆件建立附加坐标系的矩阵方法，是用齐次坐标系来描述机器人各杆件相对于参考坐标系的空间几何关系，用44的齐次变换矩阵来描述相邻两连杆I和I1的空间几何关系，从而推到出机器人手抓坐标系相对于参考坐标系的空间位姿坐标系。本课题分析的六自由度机器人由基座、腰部回转部件、大臂、和腕部组成，具有六个转动自由度，根据DH坐标系的规则和各杆件参数的求取原则，建立了该工业机器人处于零点位置时的连杆坐标系，如图31所示。表31中列出了该工业机器人机构的DH参数。图31工业机器人连杆坐标系安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）13表31机器人的DH参数11I1IIIIIA为连杆（）的长度；A为连杆转角；D为沿关节I轴线两个公垂线的距离，称为偏距；为垂直于关节轴线的平面内两个公垂线的夹角，称为扭角32工业机器人运动学方程已知机器人各关节转角或位移以及结构参数，求机器人末端执行器相对于基础坐标系的位置和姿态称为机器人运动学的正问题需要根据机器人操作机每个构件相对于机器人机座坐标系的位置及姿态列出机器人的运动学方程。根据齐次坐标变换理论，可知工具坐标系是从基坐标系到各个杆件坐标系之间的变换得到的。即式（1）是机器人正向运动方程，其中1NNM为相邻干间的位资矩阵，06M为机器人末端执行件的位资矩阵。下面就用DH方法求解运动学正解。根据齐次变换原理和位姿理论得到各关节的位置矩阵如下（1）绕1Z轴转1角的坐标变换矩阵为（2）绕1X轴转动90角，沿1X轴移动1A，沿2Y轴移动2D绕Z2轴转动2角的坐标变换矩阵为陈卓工业机器人三维设计与运动分析14（3）沿2X轴移动2A，沿3Y轴移动3D，绕3Z轴转动3角的坐标变换矩阵为（4）沿3X轴移动3A，沿Y4轴移动4D，绕3X轴转动90角，绕Z4轴转动4角的坐标变换矩阵为（5）绕4X轴转动角90，绕5Z轴转动5角的坐标变换矩阵为（6）绕5X轴转动90角，绕6Z轴转动6角的坐标变换矩阵为安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）15将以上连杆的齐次变换矩阵进行运算，就得到操作臂变换矩阵,SINIIIICS式中分别表示COS。23456142390,90,0,0,180,00,0,1,0,0,0,0,0,0,IXYXYZXYZXYZNNOOOAAAPPADPAA当将各关节角的初始位置，即的值代入上述表达式中，可得与以基位姿为参照手部位姿的矩阵相同，即运动方程是正确的。陈卓工业机器人三维设计与运动分析16第4章基于ADAMS的运动学仿真41ADAMS功能介绍ADAMS是英文AUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEM的缩写，提供了强大的建模仿真环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，与其他CADCAM软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能。在当今动力学分析软件市场上，拥有70的市场份额，广泛应用于机器人、航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备和工程机械等领域。ADAMS拥有WINDOWS如LINUX两个版本。ADAMS软件将强大的分析求解功能与使用界面相结合，使用直观且方便。软件的特点如下L、利用交互式图形环境和零件库、约束库和力库建立机械系统三维参数化模型。2、分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析。3、具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速准确。4、具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种“虚拟样机“方案。5、具有一个强大的函数库供自定义力和运动发生器。6、具有开放式结构，允许集成自己的子程序。7、自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线图形。8、可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷。9、支持同大多数、和控制设计软件包之间的双向通讯。随着工业和经济的发展，制造业的竞争日趋激烈。工业产品的生产越来越向着多品种、小批量化发展，同时，对产品质量、生产时间提出了越来越高的要求。提高产品质量；降低产品成本；增加产品的科技含量、缩短研制、生产周期；灵活地应对市场的变化成了制造业竞争者们追求的目标和生存的途径。在传统的设计和制造过程中，一般的过程是首先概念设计而后方案论证，然后进行产品设计，在设计完成后，为了验证设计，通常要进行产品的试制。当通过试验发现设计缺陷时，再次修改设计并再次进行产品试制，通过反复地设计试制设计过程，才能达到目标要求。这一过程是冗长的，设计周期无法缩短，就不可能对市场进行灵活应对，同时，样机试制也增加了产品的成本，特别当用户对产品的需求产生小批化、个性化的要求时，将对企业造成重大的损失。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统设计和制造过程中的缺点的新技术。安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）17在虚拟样机技术中，设计人员直接利用计算机辅助设计（CAD）系统提供的零部件的物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统的运动，并对其在各种情况下的运动和受力情况进行分析，观察并实验各组成部件相互运动情况，并在计算机上反复地修改设计缺陷，仿真不同的设计方案，对整个系统不断地进行改进，直到获得最优的设计方案后，在进行物理样机的试制。这样，能够缩短研发周期，尽量降低成本，避免不必要的损失。虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，同时紧密结合了三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，另外也与计算机硬件、软件技术的发展程度密切相关，计算机硬件的性能对虚拟样机的分析计算、仿真的结果有着极大的影响和制约。虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机已实现了商品化。目前有比较有影响的软件有美国机械动力学公司的ADAMS，比利时LMS公司的DADS，德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力学公司的DAMAS占据了市场的50以上11。可以说ADAMS（AUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICAL）程序是世界上应用最广泛的最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件。42基于ADAMS的机器人运动学仿真在本课题中，采用软件CATIA作出了全部零件的三维实体模型，并将零件在计算机中进行虚拟装配，得到了机器人整体的虚拟样机。CATIA软件有检查机构干涉的功能，作者在SOLIDEDGE环境中对机器人的虚拟样机进行了干涉检查，修改了结构尺寸上存在的错误，直到整个模型在结构上无相互干涉现象。为了分析不同方案的性能和优劣，以及同一方案中不同的结构和参数对整机性能的影响，缩短设计时间，作者使用了ADAMS软件对机器人进行运动学仿真。ADAMS进行建模、仿真和分析，一般遵循以下七个基本步骤L、创建一个包括运动件、运动副、柔性连接和作用力等在内的机械系统模型；2、通过模拟仿真模型在实际操作过程中的动作来测试所建模型；3、通过将模拟仿真结果与物理样机试验数据对照比较来验证所设计的方案；4、细化模型，使仿真测试数据符合物理样机试验数据；5、深化设计，评估系统模型针对不同的设计变量的灵敏度；6、优化设计方案，找到能够获得最佳性能的最优化设计组合；7、使各设计步骤自动化，以便能迅速地测试不同的设计可选方案。421CATIA环境下实体模型6自由度机器人本体虚拟仿真模型的建模工具采用参数化设计软件CATIA，可以快速地建立三维模型并便于修改。如图所示，使用CATIA建立的本课题自由度机器人真实尺寸三维模型即该机器人虚拟样机真实地反映了机器人物理模型结构包括底盘，底座，大臂，小臂，摆动部件，旋转部件等及其特性参数。在6自由度机器人各零件的三维模型基础上，进行装配建模。通过装配，可以形成产品的总体结构、绘制装配图。装配的概念是指虚拟装配。所谓虚拟装配是指通过零件之间的引用和链接关系，形成装配模型。装配的结构表现了一种层次关系，最顶层是装配体，其余的由子装配体和陈卓工业机器人三维设计与运动分析18部件组成。自底向上方法从底层逐步向上装配，将每个零件加入到装配体中，这些零件已经设计完成，例如标准件，己经存储的零件等。自顶向下方法在顶层产生一个装配，建立装配结构，逐步向下添加零件，产生子装配或部件，这种设计方法更符合设计人员的习惯，即从装配到零件的设计。上下文设计方法在装配结构中，利用装配树中其它部件的信息设计零件几何参数。在产品设计中，根据零件的情况经常要混合使用上述的方法，例如设计一个新型的产品，它的一部分零件是新设计的零件，一部分零件是已有的，可以先用自顶向下的方法构造出产品的基本结构，再进行各种设计。本文采用自底向上的方法，从底层逐步向上装配，将己经设计好的零件加入到装配体中。由于变速器零件比较多，所以先将相关零件组装成子装配体，最后把所有的子装配体装配在一起，组成总的装配体。422ADAMSVIEW环境下建立仿真模型在CATIA中建立好6自由度机器人的虚拟样机模型之后要将此模型导入到ADAMS中，由于CATIA直接输出的格式并不适用于ADAMS中进行直接使用，所以采取在CATIA中输出STP格式，然后再将此格式的模型导入到PRO/E中。然后再从PRO/E中输出PARASOLID格式，然后再将此格式的模型导入到ADAMS中。打开ADAMSVIEW，点击FILE菜单IMPORT选项，将由PRO/E输出的PARASOLID格式文件导入ADAMS中，如图41所示图41将文件导入到ADAMS中导入之后的文件如图56所示安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）19图426自由度机器人的虚拟样机模型接下来对模型和仿真环境进行一些必要的处理和修改1设置重力选择设置菜单中的重力GRIVITY，单击这一选项，把重力设置成正确的方向。2修改刚体质量属性在图形界面直接选择要修改材料的部件，单击右键弹出菜单，选择MODI，然后在弹出的构件特性对话框巾选择GEOMETRYANDDENSITY选项。此时程序要求输入材料密度，ADAMS根据输入的密度和构件儿何形状，计算质量和惯性矩。或者选择USERINPUT选项，自行输入各关节刚体质量特性参数，这里采用的是GEOMETRYANDMATERIALTYPE，直接在ADAMS软件的材料库里选取材料，在整个6自由度机器人中除了型材部分为铝质的之外，其余部件的材料均为45号刚，所以我们就根据这个来修改刚体的质量属性。3简化虚拟样机模型为了简化虚拟样机模型，我们将那些相互之间没有运动，而材料属性又一致的零部件用布尔和操作连接在一起，这样就大大简化了模型。注意这一步骤和上一步骤不能倒过来，这样虽然会减少一些工作量，但是会导致后期仿真的失败。对于那画I些相互之间没有运动，材料属性不一样的零部件，可以用固定副来连接。这样处理之后，整个虚拟样机大致分为了底盘、底座、大臂、小臂、摆动部件和旋转部件六个部分。4设置运动关系接下来需要设置各个连杆之间的运动关系，其中底盘和大地固接，底座和底盘等其他各连杆之间均用旋转副来连接，这样处理之后的虚拟样机模型如图43所示。陈卓工业机器人三维设计与运动分析20图43处理后机器人的虚拟样机模型43ADAMS环境下6自由度机器人的动力学仿真分析对机器人的运动进行仿真后，可以用曲线的形式输出仿真结果。在ADAMS/VIEW中可以测量模型的任意参数，如物体任意点的位移、速度、加速度等，约束副的相对位移、相对速度、相对加速度以及所受的力和力矩等。下面分别对工业机器人的末端点及中间点进行速度、加速度、位移进行曲线输出。设置时间为5秒,步数为50步，输出图形如图44到414所示末端点位移曲线图44末端点在X方向上的位移曲线安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）21图45末端点在Y方向上的位移曲线图46末端点在Z方向上的位移曲线末端点速度曲线图47末端点在X方向上的速度曲线陈卓工业机器人三维设计与运动分析22图48末端点在X方向上的速度曲线图49末端点在X方向上的速度曲线末端点加速度曲线图410末端点在X方向上的加速度曲线安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）23图411末端点在Y方向上的加速度曲线图412末端点在Z方向上的加速度曲线中间点位移曲线图413中间点在X方向上位移曲线陈卓工业机器人三维设计与运动分析24图414中间点在X方向上位移曲线图415中间点在X方向上位移曲线中间点速度曲线图416中间点在X方向上速度曲线安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）25图417中间点在Y方向上速度曲线图418中间点在Z方向上速度曲线中间点加速度曲线图419中间点在X方向上加速度曲线陈卓工业机器人三维设计与运动分析26图420中间点在Y方向上加速度曲线图421中间点在Z方向上加速度曲线安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）27结论与展望本文对一台6自由度关节教学机器人进行方案的创成、机械结构的设计，并对运动学和动力学问题进行了研究和理论计算，建立了该机器人的串联6杆运动坐标体系，及其简化结构的多刚体动力学模型，对上述模型进行了运动学和动力学分析，给出了该机器人系统的运动方程。本文还对该机器人系统做了考虑重力因素的轨迹跟踪仿真，即借助CATIA实体建模功能建立该6自由度机器人的三维真实几何物理参数模型，通过PRO/E导入ADAMS平台，生成了动力学仿真虚拟模型，并在重力环境条件下，对模型进行了有一定程度的轨迹跟踪仿真测试和试验，取得了各关节参数系列的有价值试验数据。仿真试验及其结果表明，ADAMS系统以拉格朗日第一类方程为核心的动力学求解模块及其快速算法具有对各类多刚体动力学问题的广泛适应性，完全适合于对多自由度机器人系统进行运动学和动力学仿真试验研究，所取得的计算结果也是完备、正确和及时的，因此在很大程度上可以取代传统的运动学和动力学理论分析方法对多自由度机器人系统进行运动学和动力学方面的研究。通过一学期的设计分析，完成了对工业机器人的三维设计与运动分析，但其中仍有很多不足之处，一方面是自己的专业知识不够扎实，在加上我对机器人以前没有什么了解导致设计中存在错误和缺陷；另一方面，由于我对软件知识的欠缺，导致我对所设计的工业机器人分析的还不够全面。在21世纪，计算机技术和网络技术在企业的应用将更加深入，机械产品开发与计算机技术和网络技术的结合将更加紧密，既通过虚拟试验和测试在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进意见，所以我们要对现代研发技能提出了更高的要求。在我们学好专业基础知识的同时，还要与时俱进，充分掌握时代发展的前沿技术，这样才能不为社会淘汰，提高国家整体技术水平。陈卓工业机器人三维设计与运动分析28致谢在即将完成本科阶段的学习之际，我要衷心的感谢所有曾经关心过我，帮助过我，支持过我的老师和同学们首先特别感谢我的导师王雷老师对我毕业设计的教导。在整个论文的完成过程中，包括论文的选题、研究的地点、进度的安排等各个方面，王老师都给了我热情耐心的帮助和悉心的教导。论文研究工作的完成，不仅是我的辛劳付出，同时也倾注了导师的心血与关怀。导师为人谦虚诚恳、做事严谨认真，这些将永远鞭策我、激励我前行。再次感谢王老师在学习和生活上给予我的指导和帮助与此同时，我要感谢感谢毕业设计中给予我们指导和帮助的王幼民老师和阚宏林老师。他们在课题报告、中期答辩期间给我们提出了真诚的建议，在我们平时的学习中也给与我们无私的帮助此外，我还要特别感谢我的父母，因为这四年里，他门不仅无偿的给我提供生活上的资助和鼓励，还给了我学习上的信心和鼓励，促使我完成学业最后我对所有关心我、支持我，帮助过我的老师、同学和朋友们一并送上我衷心的感谢和祝福作者陈卓2012年6月8日安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）29参考文献1吴振彪，王正家工业机器人M武汉华中科技大学出版社，20062周