硕士学位论文-开放式教学机器人控制系统研究.pdf

分类号： u dc ： 密级： 编号： 工学硕士学位论文 开放式教学机器人 控制系统研究 硕士研究生： 指导教师 ： 学位级别 ： 学科、专业： 所在单位 ： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 闰志超 王立权教授 工学硕士 机械电子工程 机电工程学院 2 0 0 7 年2 月 2 0 0 7 年3 月 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 串联型关节式机器人已广泛应用于工业自动化领域，但绝大部分机器人 系统并不具备开放性。本文旨在设计一套基于p c 平台、有较强开放性和通用 性、六自由度微型串联型关节式机器人，以满足该学科教学需要，并且为实 验室对机器人技术的继续深入研究提供平台。 论文首先介绍了工业机器人的国内外的发展概况，阐述了国内教学用机 器人的研究和发展情况。结合本课题的实际要求，确定机器人的方案及研究 内容。 设计了一种减速机构内置式的机器人关节结构，以实现机器人的外形美 观、关节体积小、机械精度高等要求；应用有限元软件对机械系统中关键部 件进行结构静力分析及模态分析，验证了其设计的可靠、合理。在此基础上， 应用齐次坐标变换的方法对机器人的正、逆运动学进行了分析，为机器人控 制和轨迹规划奠定了基础。 通过对机器人控制系统结构的深入研究，并基于开放式的设计理念，确 定其整体控制方案，系统采用二级分布式控制结构。 以专用运动控制芯片l m 6 2 9 为核心，设计了一套硬件简洁、且能实现高 精度位置控制的机器人单关节控制系统，实验表明其对关节控制效果理想。 最后，为满足系统上位机与各关节之间通讯的高可靠性和实时性的要求， 本文对基于c a n 总线标准的通讯系统做了深入研究，结合机器入系统的特点， 完成c 黼节点接口的硬件和软件设计。 关键词：机器人；开放式结构；控制系统；位置控制；c a n 总线 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t s e r i e sj o i n tr o b o t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ef e l i do ft h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i z a t i o n , b u tm o s tr o b o t sa r en o to p e n t h i sp a p e rh a sd e s i g n e das e to f p r e f e r a b l yo p e na n du n i v e r s a ls e r i e sj o i n tm i n i - r o b o tw i t h6 - d o k w h i c hb a s e so n p c m o s t l yf o rf u l f i l l i n gt h et e a c h i n ga n ds u p p o r t i n g ab a s e m e n tf o rt h el a b sd e e p s t u d y i n gt h et e c h n o l o g y o f r o b o t s 。 t h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a lr o b o ti si n t r o d u c e d t h ed c n n e s t i cr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t e a c h i n gr o b o ti se x p o u n d e d t h e n , t h e s c h e m eo ft h er o b o ta n dr e s e a r c h i n gc o n t e n t sa l ep r o p o s e d , b a s i n go nc o n t e n t so f w o r k i n ga n dd e m a n do ft h er o b o t an e ws t r u c t u r a lt y p eo fj o i n tr o b o ti sd e s i g n e d t h a ti ta c h i e v e st h ed e s i g n g o a lo f b e a u t i f u lr o b o ta p p e a r a n c e ，s m a l lc u b a g e ，m o r em e c h a n i c a lp r e c i s i o n t h e s t a t i ca n dm o d a la n a l y s i so ft h ek e ym e c h a n i c a lp a r ti ss h n u l a t e db ya n s y s , c o n s e q u e n f l 弘v a l i d a t e dt h ed e s i g n a c c o r d i n gt od e g r e e so f6 c d 蛐d i s t r i b u t i o n a n dm e c h a n i s mo ft h er o b o t , t h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i ce q u a t i o na r e o b t a i n e d ，w h i c ha r et h et h e o r e t i cb a s eo fr o b o t c o n t r o la n dt r a j e c t o r yp l a n n i n g t h r o u g ht h es t u d yo ft h es t r u c t u r eo fc o n t r o ls y s t e mu s e d i nr o b o t , a tt h ee n d , 2 - c l a s sd i s t r i b u t e da n do p e n i n gc o n t r o ls t r u c r l ：r ei sa d o p t e d 。 t h ep a p e rh a sd e s i g n e das e to fj o i n ts e i v oc o n t r o ls y s t e mw i t hc o m p a c t c i r c u i ta n dm o l ep r e c i s i o np o s i t i o nc o n t r o l ，w h i c ht o o kp r o f e s s i o n a lc o n t r o lc h i p - l m 6 2 9a sc o r e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , i ti n d i c a t e dt h a tt h ec o n t r o le f f e c tw a s p e r f e c t 1 a s t l y , t os a t i s f yt h es y s t e mm o r er e l i a b i l i t ya n dq u i c k l y , t h i sp a p e rm a d e m o r er e s e a r c ho fc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do nc a nb u sa n dc o m p l e t e dt h e d e s i g n i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h ej o i n to fc a n n o d e sa c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e ro fs e r i e sj e i n tr o b o tw i t h6d o e k e y w o r d s ：s e r i e sj o i n tr o b o t ；o p e na r c h i t e c t u r e ： c o n t r o ls y s t e m ； p o s i t i o nc o n t r o l ：c a nb u s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：盥 日期：山7 年弓月2 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的来源、目的和意义 机器人是现代一种典型的光机电一体化产品，机器人学也是当今世界极 为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、 人工智能等多个学科。随着现代科学技术的迅速发展，尤其是近2 0 多年来， 机器人技术得到广泛应用。目前已经在全世界装备有一百多万台各种机器人， 涉及到汽车、家电、宇航、服务以及其他特种行业“。 为了适应我国该领域相关行业的发展需求，培养机器人的设计、开发、 生产等方面的人才，很多高等院校已经开设有机器人学课程。但有关该课程 的实践教学手段并不成熟，有些单位购买国外较成熟的工业产品用于实践教 学，并不具备开放性，学生无法深入了解其内部构造及信息流的控制过程。 针对开放式教学的特点，我们设计一套基于p c 平台可采用高级语言编写 模块化控制软件、具有较高通用性、开放性、关节型结构、六自由度微型机 器人教学平台。该平台可完成示教与再现、自动正运动学、自动逆运动学、 路径规划、位置控制、误差补偿等实验”。 课题来源于哈尔滨工程大学工程训练中心。 1 2 国内外机器人相关技术的发展概况 1 2 1 机器人的发展史及国外其技术的发展概况 世界上第一台机器人于1 9 5 4 年诞生于美国，虽然它是一台实验的样机， 然而它体现了现代工业广泛应用的机器人的主要特征。机器人产品问世于2 0 世纪6 0 年代，代表性的有美国u n i m a t i o n 公司的u n i m a t e 机器人和美国a m f 公司的v e r s a t r a n 机器人。u n i m a t e 机器人是球坐标机器人，由5 个关节串 联的液压驱动的机器人，v e r s a t r a n 机器人主要用于机器之间的物料运输。 一般认为v e r s a t r a n 和u n i m a t e 机器人是世界上最早的工业机器人。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 美国机器人从诞生起，在相当长的一段时期内，主要停留在大学和研究 所的实验室里，没有形成生产能力且应用较少。直到2 0 世纪7 0 年代中期， 鉴于机器人技术发展、经济潜力和日本在工业机器人所取得的成就，美国才 意识到问题的紧迫性并多方面采取措施。 日本在上个世纪六十年代末才首次从美国引进机器人，并对其进行技术 改进，增加了视觉功能，使其成为一种具有智能的机器人。由于日本产业界 和政府的高度重视及大力扶持，日本的工业机器人迅速走出了从实验应用到 成熟产品大量应用的阶段，得以大量生产和应用。2 0 世纪7 0 年代是日本机 器人的迅速发展时期，日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国， 成为当今世界第一的“机器人王国”。 2 0 世纪7 0 年代，机器人进入工业生产的实用化时代。到8 0 年代，工业 机器人进入普及时代，汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人，推动了 机器人产业的发展。机器人的研究开发，无论就水平和规模而言都得到了迅 速发展，高性能的机器人所占比例不断增加。 在这期间具有一定影响意义的产品有：1 9 7 9 年u n i m a t i o n 公司推出了 p u m a 系列工业机器人，他是一种全电动驱动、关节式结构、多c p u 二级微机 控制、可配置视觉、触觉和力觉传感器的技术较为先进的机器人；1 9 7 9 年日 本山梨大学研制出具有平面关节的s c a r a 型机器人；1 9 8 5 年前后，f a n u c 和 g 婶公司又先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品。 近二十几年来，欧洲的德国、意大利、法国和英国的机器人发展比较快。 目前，世界上无论是从技术水平上，还是从已装备的数量上，优势集中在以 日美为代表的少数几个发达的工业化国家” 总的说来，工业机器人的发展分为三个阶段：第一代机器人就是目前工 业中大量使用的“示教再现”工业机器人，主要由夹持臂、手臂、驱动器和 控制器组成，示教内容为工业机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业 顺序等，广泛应用于上下料、焊接、喷涂和搬运。第二代工业机器人是带感 觉的机器人，能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理和分 析，对外界信息进行反馈，采用白适应控制，从9 0 年代进入实用阶段。第三 代工业机器人即智能机器人，是指具有适应性的机器人，能理解指示命令， 感知环境，识别对象，具有知识库和专家系统，在作业环境中能独立工作， 2 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 目前还处于实验阶段。 1 2 2 国内机器人技术及发展概况 我国的工业机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初，大致可分为3 个阶段：7 0 年代的萌发期，8 0 年代的开发期，9 0 年代的实用化期。 我国于1 9 7 2 年开始研制工业机器人，数十家研究单位和院校分别开发了 固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人，并开始了机构学、计算机控制 和应用技术的研究。8 0 年代，机器人技术的发展得到了政府的重视和支持， 机器人步入了跨越式发展时期。1 9 8 6 年开展了“七五”机器人攻关计划，1 9 8 7 年，“8 6 3 ”高科技计划将机器人及应用的研究开发列入其中。在完成了示教 再现式工业及其成套设备的开发后，我国研制出了喷涂、弧焊、点焊和搬运 等作业机器人整机，其性能指标已达到2 0 世纪8 0 年代初国外同等产品的水 平。为了跟踪国外高技术，在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开 发，进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性 能传感器及新材料等的应用研究。2 0 世纪9 0 年代，由于市场竞争加剧，一 些企业认识到必须用机器人等自动化设备来改造传统产业。在喷涂机器人， 焊接机器人，搬运机器人，装配机器人，矿山作业等特种工业机器人技术和 系统应用的成套设备技术继续开发和完善，进一步开拓市场，扩大应用领域， 从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域。 1 2 3 国内教学机器人的发展概况 为适应我国机器人领域的人才需求，国内很多高等院校都开设机器人技 术课程。但目前工业机器人的价格昂贵，难以在教学中普及。即使装配有机 器人的院校很多都是购买自国外成熟的工业机器人，该机器人一般不具备开 放性，因此教学效果并不理想。一种模拟工业机器人系统面向教学研究的教 学机器人应运而生。 教学机器人的目的就是为了满足大中专院校学生的机器人教学课程的实 验教学。它是在工业机器人功能要求的基础上，针对教学目的进行专门的设 计，强化了人机交流功能和可视性。这种机器人可以通过工业标准的i s a 、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p c i 接口与p c 实现通讯，共同组成复杂的加工装配控制系统，也可以自成体 系，通过三维( - - 维) 空间上的某一点进行作业在机器人运动学、动力学、 机械原理、机械设计直观教学、机电设备控制原理和控制方法研究、模拟工 厂实际设备运行等方面有着广泛应用“” 近年来，国内许多高校都自行开发了不同型号的教学机器人，并已投入 使用如哈尔滨工业大学、西安交通大学、北京科技大学等都相继开发出不 同功能、结构形式的教学机器人除此以外，许多科研单位，企业与高校合 作，联合开发教学机器人 国内科研院所中，哈尔滨工业大学机器人研究所研制的教学机器人已成 一定规模，机器人产品种类较多。如图1 1 所示，四自由度s c a r a 型机器人 该机器人有助于机器人技术课程教学 实践课的开展，让学生对机器人的机 械系统、控制系统有更好的了解，同 时可完成示教编程与再现、机器人正 运动学、逆运动学分析、轨迹规划、 p t p ( 和c p ) 运动控制以及搬运、装配 等实验图1 1 四自由度s c a r a 型机器人 四自由度串联型关节式机器人( 图1 2 ) ，五自由度串联关节式机器人( 图 1 3 ) 串联型关节机器人为典型的传统工业机器人，在自动搬运、装配、焊 接、喷涂等工业现场有着最广泛的应用并且其结构紧凑，工作范围大，具 有高度的灵活性 图1 2 四自由度串联型机器人图1 3 五自由度串联型机器人 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 六自由度串联型关节式机器人( 图1 4 ) 。通常情况下，为实现机器人末 端执行器在三维空间中任意位姿，需要具有六个自由度。并且由于关节型串 联式固有的结构优点，决定该类教学机器人具有一定的典型性，一般能完成 教学所需的所有实验，因此国内很多高校都自主研发六自由度串联型关节教 学机器人( 本课题机器人本体也是该种结构型式) 该机器人通过模拟自动 化生产工艺流程，使学习者达到熟悉机器人自动化成产及控制过程，从而全 面提高专业设计水平、生产实践能力 图1 4六自由度串联型关节式机器人 六自由度并联型机器人( 图1 5 ) 。并联机器人作为一种新型的机器人型 式得到了越来越多的应用，与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚 度大、承载能力强、误差小等特点，与串联机器人形成了良好的互补关系 可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、 岩土挖掘工程等。 此外国内比较知名的还有北京机械工业自动化研究所自行研制开发的6 自由度串联教学机器人( 图1 6 ) 。该研究所在工业机器人与智能机器人基础 上，结合工科院校专业的教学重点，自行研制开发各种教学机器人 图1 5 六自由度并联型机器人图1 6 六自由度串联教学机器人 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上鑫科技实业公司与上海交通大学机器人研究所针对大专院校机器人课 程教学实验的特点合作研制的一种普及型机器人( 图1 7 ) 采用五个自由度 垂直关节型设计，步进电机驱动，上位计算机示教编程，同时设计者结合了 多年在工业机器人研究，开发及应用经验，使其在编程操作上相似于工业机 器人的风格，在二次开发上，比一般的工业机器人更具开放性 图1 7 五自由度垂直关节型机器人 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。 随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化生产线的市场也会 越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式目前我国机器人自动化 生产线装备的市场刚刚起步，这就给机器人自动化研究的开发者带来巨大商 机。而事实情况国内的机器人技术相关人才仍然很缺乏，针对我校的具体情 况，有必要自主研发一台教学机器人，满足学生的机器人课程实践及相关实 验的要求，同时对于多数停留在理论层次上的研究、而没有一个较好通用性 研究实验平台的机器人技术方向的实验室来说，自主研发一套教学机器人就 更加迫在眉睫“”， 1 3 本文的研究内容及主要工作 本论文“教学机器人的结构与下层控制系统研究”是要研制一套6 自由 度串联型关节式的教学机器人实验平台，论文的主要内容如下： 第一章阐述课题的研究背景意义及来源，综述国内外机器人相关领域 的发展及研究概况，并提出主要研究内容 第二章介绍本机器人的整体结构和关节型式，针对关键部件进行了有 限元分析，并对该机器人运动学正、逆运动学进行分析。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第三章基于开放式的设计理念，提出了机器人整体控制方案，包括机器 人关节控制系统及c a n 总线的通讯系统的方案。 第四章对机器人单关节下层控制系统的硬件电路及软件进行了详细描 述，并对控制算法进行了改进。 第五章完整阐述了本教学机器人的基于c a n 总线通信系统的设计与实 现，为整个机器人系统的实时性和可靠性提供保证。 第六章搭建了单关节位置控制实验平台，通过实验数据分析表明设计 的关节控制系统控制效果理想。 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章教学机器人的结构及运动学分析 2 。1 机械本体分析 2 1 1 教学机器人本体 机器人本体的结构设计不同于一般的机械设计机器人是典型的机电一 体化产品，在进行结构设计时必须要考虑驱动、控制等方面的问题，这和一 般的机械产品设计是不同的此外与一般机械产品相比，机器人的机械设计 在结构的紧凑性、灵巧性方面有更高的要求“” 。 从机构学的角度来看，串联机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节 连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动学分析和静力分析变得 复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量 之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩之间的关系是动力分析的 内容在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用 在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化。因此，机器人 是一个多输入多输出、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分 析十分复杂“ 本教学机器人的结构型式采用串联式、转动关节因目的主要是面向机 器人课程的教学和实验室机器人技术的研究要求工作范围比较大，动作灵 活，通用性强，结构紧凑，末端执行器能抓取物体为能使末端执行器涵盖 靠近基座整个空间确定自由度数目为6 个，采用垂直型串联关节型结构形式 使得机器人结构紧凑最大活动半径6 5 0 m ( 不含末端执行器) ，本体重量 1 6 k g 各关节回转范围见表2 - 1 表2 - 1 机器人各关节转角范围 关节号 123456 转角范围 一1 8 0 _9 0 _- 1 8 0 - 1 8 0 _- 1 3 5 - 1 8 0 - ( 。) + 1 8 0+ 1 3 5+ 1 8 0+ 1 8 0+ 1 3 5+ 1 8 0 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 鉴于以上要求，并且参考国内外的串联工业机器人结构型式最后设计 完成机器人本体见图2 i 所示( 图中p r o e 建模没有末端执行器) 。 图2 1 机器人p r o e 模型图 机器人的常见的驱动方式主要有步进电机驱动、直流伺服驱动、交流伺 服电机和液压伺服马达驱动四种。直流力矩电机是属于直流电机范畴，可理 解为把伺服电机和驱动电机结合在一起的一种电机，其输出力矩与转速呈线 性关系，输出可以直接驱动负载而不需要减速增扭，而且没有直流伺服电机 低速爬行的现象。采用直流力矩电机构成的伺服系统具有相应速度快、运转 精度高、机械特性和调速线性好、调速范围大而且其控制技术成熟等优点 因此直流力矩电机被广泛应用于高精度位置和速度控制系统中“ 本教学机器人六个关节驱动中前五个关节均选用直流力矩电机 为使机器人的关节结构紧凑并且满足精度要求，选择直流力矩电机加谐 波减速器的传动方式谐波齿轮传动是利用行星轮系传动的原理发展起来的 一种新型传动，其构件只有三个：波发生器、柔轮、钢轮。谐波齿轮传动较 一般的齿轮传动具有很多有点：结构简单、体积小、重量轻，传动比大、承 载能力强，运动精度高，同轴性好、容易实现差动传动等诸多优点。前五个 关节结构型式类似，采用力矩电机和谐波齿轮减速器组合的方式实现机器人 各关节的转动“”。 前五个关节直流力矩电机和谐波齿轮减速器分别为北京勇光高精特电机 有限公司和北京谐波传动技术研究所生产。第六关节电机与减速器选用瑞典 的m a x o n 公司产品电机和减速器的型号及参数见表2 2 所示。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 表2 2 电机和减速器型号和参数 关节号第一关节第二关节 第三关节第四关节 第五关节第六关节 电机型号 5 5 l y 5 45 5 l y x 0 44 5 l y x 0 43 6 l y x 0 43 6 l y x 0 4a 州a x 2 2 o 1 2 7 4 n m0 2 8 n m0 1 3 o 0 2 9 4 n mo 0 2 9 4 n mo 0 1 5 4 1 2 1 8 1 6 8 3 w1 3 1 册3 8 9 w3 8 9 w6 电机参数 1 5 0 0 r m1 5 0 0 r s2 2 0 0 r m3 3 0 0 r m3 3 0 0 r m9 2 4 0 r m o 8 7 a1 8 7 a1 6 5 a i 6 5 a i 6 5 a1 0 8 a 减速器型 x b l - 5 0 -强2 ；3 2 ) m 1 3 2 8x b 3 2 g p 2 2 c 号1 2 5 一5 0 4 1 04 0 一3 8 5o2 5 - 2 9 8 减速器参i = 1 2 5i = 4 1 0i = 3 8 5i = 8 0i = 2 9 8i = 1 2 8 数 t = 3 3 n ht = 4 0 t = 1 5 n m t = 6 5 p 岫 t = 2 n mt = i 3 n m 机器人的结构设计应用p r o e 和a u t o c a d 软件完成。运动p r o e 建立机 器人机械结构本体的三维虚拟样机模型，这样其本体结构能在计算机上直观 的体现出来，并且能够对模型中零件之间的间隙和干涉进行检查、轻松获得 本体的质量等信息，能把错误消灭在设计阶段，缩短设计周期，节省设计经 费。此外，由于机器人有一定的精度要求，对其机械系统的关键承载部件进 行力学分析和校核，其三维建模过程必不可少。 因机器人关节结构型式类似，现以第四关节结构图为例简单介绍其结构 型式，如图2 2 、2 3 所示。 图2 2 第四关节分解模型图 1 电机罩2 编码器3 电机4 关节壳体5 联轴器6 谐波齿轮减速器 7 轴承支架8 轴承9 关节连接法兰1 0 孔用弹簧卡盈1 1 轴承套 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 3 第四关节剖面图 为了尽可能的减小关节结构的尺寸，选用的电机和减速器标准件都经过 非标改造，以适应本机器人关节的特定结构型式。图中所示关节的谐波齿轮 减速器的三个构件中，钢轮固定，柔轮输入，波发生器输出，从而实现差动 直流力矩电机与关节壳体、谐波齿轮减速的钢轮通过螺栓固连；直流力矩电 机的输出经联轴器与谐波齿轮减速器的波发生器相连；关节转动的实现是通 过柔轮输出端与之固连的连接法兰完成的。关节的转动部件是两组深沟球轴 承，轴承支架与连接法兰通过螺栓连接，轴承之间的定位由轴承支架、轴承 套和孔用弹簧卡圈配合完成。 因为本机器人关节的控制系统是典型的小闭环控制( 位置控制) ，整个机 构系统的精度取决于机械装置的精度，即减速器等部件传动的精度而采用 本结构型式设计( 尤其是精度较高的谐波齿轮减速器的采用) ，可以有效保证 机械传动的精度，从而保证整个系统的精度。直流力矩电机的尾端输出轴连 接增量式光电编码器，采集电机信息，协助控制系统对其控制的实现。 2 1 2 机器人关键部件的有限元分析 有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方 1 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法，是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节 点及单元组合而成，以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数 学模式，并根据数学模式进而得到该有限元系统的解答，并通过节点、单元 表现出来完整有限元模型除了节点、单元外还包含工程系统本身所具有的 边界条件、约束条件，外力负载等“” 用有限元方法分析刚度和强度是现代设计的必要手段。现代有限元软件 的前处理、分析计算和后处理达到了一体化，这都使有限元软件成为设计人 员不可缺少的工具。在常用的有限元软件中，美国的a n s y s 公司开发的a n s y s 软件是最为通用有效的。a n s y s 软件功能强大，主要功能包括建立模型、结 构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、 结构优化“” 有限元分析的一般流程如图2 4 所示。 图2 4 有限元分析工程一般流程 机器人机械部件的分析主要是指结构分析和结构优化。结构分析包括静 力学分析、模态分析；模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特 哈尔滨工程大学硕士学位论文 定的固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼和模态振型。模态分析一般 适用于确定设计中的结构或机械部件的振动特性。结构的模态分析就是寻求 结构的动力特性，而动力特性可用固有频率、固有振型和阻尼来确定。结构 优化是对零部件的结构尺寸、重量进行改进和优化。 针对本机器人的结构特点，第四关节的柔轮连接法兰在整个机器人机械 系统中起着承上启下的作用：向上连接第5 6 关节，向下连接3 4 关节，其 变形及受力情况将直接影响整个系统的精度。又由于本设计采用固定在其上 的双悬臂机器人关节臂的型式，故有必要对其进行分析，并有针对性的进行 优化设计 由于本设计全部采用p r o e 三维实体建模，所以有限元分析的模型可以直 接从p r o e 导入该零件材料选用2 a 1 2t 业硬铝，其密度为2 8 磁m 3 ，弹 性模量为7 1 e 1 0 尸4 ，泊松比为0 3 l ，有限元单元类型选择s o l i d 9 2 ，其为 1 0 节点四面体结构，通常无需设置实常数“” 定义材料属性后，采用智能网格划分法对其划分网格，并对模型局部进 行细化，划分网格后如图2 5 所示。 图2 5 连接法兰网格图 由于机器人结构特点，其受力较小，主要承载由第5 、6 关节的重力，连 接第4 、5 关节的臂板以及末端执行器( 手爪) 抓取重物的重力而产生的扭矩。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 法兰由四个螺钉连接壁板，刚性较好，所以模型所受力矩可简化为施加在两 个突起的肋板实体上。 本分析针对两种特定情况进行：一种是法兰两个肋板竖直垂直于地面， 即第五关节轴线平行于地面的情况；另一种情况是两个肋板平行于地面，即 第五关节轴线垂直于地面的情况给出两种情况的变形示意图及其对应的方 向位移等值线图见图2 6 、2 7 所示 图2 6 第一种情况变形示意图及x 向位移等值线图 图2 7 第二种情况变形示意图及x 向位移等值线图 从a n s y s 分析的结果可以看出，两种情况的变形量都比较小，可以保证 其机器人末端的位置精度。因为法兰受力较小，并且由于篇幅的限制，所以 本分析并未给出其受力云图。 机械本体在运动过程中，在负载及关节重力作用下的弯曲变形在三维坐 标系中的各个方向都存在一个最低阶振动频率和振型，由于工作过程中( 尤 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 其是几轴联动过程中) 存在复合摆动，这样必然导致在各个方向上的低阶固 有频率的不同，为进一步验证机械系统的设计合理性，有必要对关键部件进 行模态分析，得到其振动特性个实际结构的振动，除随机振动外，一般 由不同频率的简谐波组合而成，且主要是由前几阶或十几阶低频谐振波组成， 高频谐振波所占的成分很小，因为高频谐振波受阻尼影响较大，大都较快衰 减，对整体响应贡献较大的是低阶模态，因此只求出前十五阶固有频率和固 有振型“。 1 5 阶模态中对应1 5 个模态图，为了方便描述，仅取对整个机械系统影 响最大的模态图。找出关键频率点。法兰的典型模态频率值见表2 - 3 所示。 表2 3 法兰典型模态 上表中对应的模态图如图2 8 2 1 3 所示 图2 8f = 3 2 8 4 h z 模态图图2 9f = 3 5 8 4 h z 模态图 图中可以看出，法兰在第一模态( 图2 8 ) 、第五模态( 图2 1 2 ) ，呈沿 着中心的扭转变形在第二模态( 图2 9 ) 表现对称于中分面向内的弯曲变 形在第三模态( 图2 1 0 ) 、第四模态( 图2 1 1 ) ，第六模态( 图2 1 3 ) 法 兰的变形表现为向不同方向的弯曲变形。由于法兰的两个肋板分别连接关节 臂班，所以第一、二、五模态变形对机器人末端的位置精度影响不大，而第 三、四、六模态能对末端精度造成影响。因此在机器人作业过程中，尽量避 免在上述频率下工作。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 0f - 7 0 2 2 h z 模态图图2 1 1f = 7 2 4 6 t t z 模态图 图2 1 2f = 1 1 7 8 4 h z 模态图图2 1 3f = 1 2 5 5 7 h z 模态图 2 2 教学机器人的运动学分析 本课题六自由度教学机器人属于关节式串联机器人，六个关节都是转动 关节。机器人运动研究的是其各连杆间的位移关系、速度关系、和加速度关 系关节式串联机器人理论分析时应该简化成一个开放式运动链，有连杆和 转动关节串联构成开链的一端固定在基座上，另一端安装有末端执行器 ( 本课题为一机械手爪) ，完成特定作业内容。关节的相对运动导致连杆的运 动，使末端执行器到达所需的位姿为了研究操作臂各连杆之间的位移关系， 对其进行运动学的分析，通常采用d - h 参数的方法，在每个连杆上固定一个 坐标系，用4 x 4 的齐次变换矩阵描述两个杆件的空间关系( 位置和姿态) ， 推导出机械人末端坐标系相对于参考系的等价齐次变换矩阵。1 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 1 运动学正解分析 运动学正解是指在给定各杆的结构参数的情况下，根据各关节的运动量， 计算出机械手末端执行器的位置和姿态。 本教学机器人的结构总图及模型简图如图2 1 4 ，2 1 5 所示 g 结构图及简化模型图 图2 1 5 机器人的连杆坐标系 本机器人具有六个转动关节，从下往上依次是第一至第六关节其中前 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 三个转动关节确定末端执行器的位置，而后三个转动关节确定执行器的姿态。 根据机器人各连杆的结构和尺寸关系，按下关节设置法建立坐标系如图2 2 所示。后三个关节的轴线相交于一点，该点作为连杆坐标系 4 、 5 ) 、 6 的原点。建立连杆坐标系见图2 1 5 所示。 用d - h 法建立关节坐标系，可以得到参数如表2 4 所示( 括号内为初始 位置参数) 。 表2 4 机器人齐次矩阵中的d - h 参数 口f ia ，一l 伊 d i 关节变量范围 参数 ( 9 )册( 。)m( 。) ：r oo 鼠( 0 )4 ( 1 5 6 )- 1 8 0 - + 1 8 0 扩 9 0 q ( 1 2 6 ) 反( 9 0 )09 0 一+ 1 3 5 0 啦( 2 2 0 )岛( o ) 0一1 8 一+ 1 8 0 7 9 0 口3 ( 8 0 )只( o )正( 2 0 2 ) - 1 8 0 一+ 1 8 0 扩 - 9 0 0 只( o ) 0 - 1 3 5 一+ 1 3 5 ：r 9 00 眈( o ) 0- 1 8 0 一+ 1 8 0 又有两个相邻杆件坐标系的变换公式2 - 1 ： 卜l f m r o t ( x , a i 1 ) t r a m ( x ，q - 1 ) r o t ( z ，o ) t r a n s ( z ，硪) = ( 2 - 1 ) c o s 最 s i n o , c o s 。l s i n o , s i n a i _ 1 o - s i n e , c o s6 i c o s q - l c d s o , 商1 q - l o o s m 倔一i c o s 一i o 口- i 一磷s i n a - l 碣c o s 玛- 1 1 式中各参数代表含义： 口，。为连杆扭角，即从z i - 1 到z i 绕x i - i 旋转的角度； a 川为连杆长度，即从z i - i 到z i 沿x i - i 测量的距离； 只为两连杆夹角，即从x i - l 到x i 绕z i 旋转的角度； 西为两连杆距离，即从从x i - i 到x i 沿z i 测量的距离。 将表2 1 中各参数代入公式2 - i 中，得： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r c o s 岛 o r js i n g 社一【。0 r c o s 岛 2 t = s i n 0 3 3 上 l o 【0 fc o s 0 5 弘k 岛 【0 一s i n g c o w , o r c o s 岛 黔i 蓟墨 【0 f c o s 只 = 协 【0 r c o s 纯 净k l 0 i 以qqp jl = 7 7 2 1 2 0 2 0 z 02 1 j 。一。， jj 式中，疗表示末端操作器的法向矢量；0 表示末端操作器的滑动矢量；口 表示末端操作器的接近矢量，这三个矢量构成了末端执行器的姿态矩阵；p 表示末端执行器的位置矢量。 其中： 以= ( ( c l c 2 3 c 4 + 订j 4 ) c 5 - c l s 2 3 s 5 ) c 6 + ( c l c 2 3 s 4 + s l c 4 p 6 = - ( ( c l c 2 3 c 4 + s l s 4 ) c 5 - c l s 2 3 s 5 ) s 6 + ( - c l c 2 3 s 4 + s l c 4 ) c 6 = ( c l c 2 3 c 4 + j 1 s 4 ) j 5 + c l s 2 3 c 5 = c l c 2 3 a 3 + c l s 2 3 d 4 + c l c 2 a 2 + c l a j = ( ( s l c 2 3 c 4 - c l s 4 ) c 5 - s t s 2 3 s 5 ) c 6 + ( s l c 2 3 s 4 c l c 4 ) s 6 = - ( ( s l c 2 3 c 4 - c l s 4 ) c 5 - s l s 2 3 s s ) s 6 + ( - s l c 2 3 s 4 - c l c 4 ) c 6 = ( s l c 2 3 c 4 - c l s 4 ) s 5 + s l s 2 3 c 5 = s l c 2 3 a 3 + s l s 2 3 d 4 + s l c 2 a 2 4 - s l a l 1 9 钔引刊 o 以o o警警 叫叫刊 0 o l o 吗峨o o d o o警警 司叫叫 o o l o o o o l o o o o嗽。嗽o - o 们j 叫引_ _ u o l o o。署。警警 q q 以吩巳吩乃 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一= ( s 2 3 c 4 c 5 + c 2 3 s 5 ) c 6 - s 2 3 s 4 s 6 d = - ( s 2 3 c 4 c 5 + c 2 3 s 5 ) s 6 一s 2 3 s 4 c 6 m = s 2 3 c 4 s 5 c 2 3 c 5 阢= s 2 3 m + c 2 3 d 4 + s 2 m + d l 把各关节角的值代入到转化矩阵中，矩阵相乘就得到了末端的位姿矩阵 这就是运动学正问题的矩阵变化法。 其中c l = c o s o m ，s l = s i n 0 1 ，以此类推 s 2 3 = c 2 s 3 + s 2 c 3 = c o s 0 2 s i n 0 3 + s i n 0 2 c o s 0 3 c 2 3 = c 2 c 3 一s 2 s 3 = c o s 0 2 c o s 0 3 一s i n 0 2 s i n 巩 将机器人初始位置参数代入2 - 2 式，演算得该计算结果正确。 2 2 2 运动学逆分析 运动学逆解是在给定满足某工作要求时的末端执行器的位置和姿态以及 各杆的结构参数的情况下，求解对应的各关节运动量。 机器人的运动学逆解问题在机器人控制中占有非常重要的地位。它是机 器人运动规划和轨迹控制的依据 目前运动学反解的方法比较多，有封闭解法和数值解法两种封闭法计 算速度快，效率高，便于实时控制。而且可以用多种方法获得封闭解；而数 值法存在一些问题，例如初始值选取得不准确会严重影响计算结果、有时有 解的情况计算结果却不收敛等。 得到封闭解有两个充分条件： ( 1 ) 有三个相邻关节轴线相交于一点。 ( 2 ) 有三个相邻关节轴线相互平行。 本教学机器人的后三个关节交与一点，满足第一个条件，因此能得到封 闭型式解。运动学反解分两步进行，首先先解出日，岛，只( 腕部位置即三轴交 点) ，然后再解出只，岛，见( 腕部姿态) 。1 。 综合机器人正解所述内容，该机器人方程可写为2 - 2 所示( 为计算方便， 令末端执行器的坐标系与第六关节坐标系重合) ： ( 1 ) 求解鼠、只、只 哈尔滨工程大学硕士学位论文 将公式2 - 2 的两边同乘。罗。7 一，得 qq 见1 7 。1 7 。? 。i ：z 22 1 2 7 芗 。一。， l 0 001j 方程的左边矩阵为 c 2 3 c l n x + c 2 3 s l n y + s 2 3 n z ，c 2 3 c l o x + c 2 3 s 2 s l o y + s 2 3 0 j ， c 2 3 c l a j + c 2 3 s l a y + s 2 3 a ：，c 2 3 f l p x + c 2 3 s l p y + s 2 3 p ：。s 2 3 d l 。c 2 3 a 1 c 3 a 2 ； - s 2 3 c l n x - s 2 3 s l n y + c 2 3 n ：，- s 2 3 c l o j - s 2 3 s l o y + c 2 3 0 z ， s 2 3 c l a x - s 2 3 s l a , + c 2 3 a z ，一s 2 3 c l p j - s 2 3 s l p y + c 2 3 p _ = 。c 2 3 d i + s 2 3 a 1 + s 3 a 2 ； s i n x - c l n r ，$ 1 吩- c l n , ，s l a , - d a y ，j 1 见。c l 以i oo o 1 】 ( 2 4 ) c 4 c 5 c 6 s 4 s 6 - c 4