四自由度SCARA机器人运动仿真分析说明书

毕 业 设 计 （ 论 文 ） 四 自 由 度 器 人 运 动 仿 真 分 析 院 （ 系 、 部 ） ： 机 械 工 程 学 院 姓 名 ： 彭 李 班 级 ： 机 电 071 专 业 ： 机 械 电 子 工 程 指 导 教 师 ： 陈 亚 教 师 职 称 ： 讲 师 201 年 6 月 6 日 北 京 密 级 学 号 07047 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 北 京 石 油 化 工 学 院 学 位 论 文 电 子 版 授 权 使 用 协 议 论 文 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 系 本 人 在 北 京 石 油 化 工 学 院学 习 期 间 创 作 完 成 的 作 品 ， 并 已 通 过 论 文 答 辩 。 本 人 系 作 品 的 唯 一 作 者 ， 即 著 作 权 人 。 现 本 人 同 意 将 本 作 品 收 录 于 “ 北京 石 油 化 工 学 院 学 位 论 文 全 文 数 据 库 ” 。 本 人 承 诺 ： 已 提 交 的 学 位 论 文 电 子版 与 印 刷 版 论 文 的 内 容 一 致 ， 如 因 不 同 而 引 起 学 术 声 誉 上 的 损 失 由 本 人 自 负 。 本 人 完 全 同 意 本 作 品 在 校 园 网 上 提 供 论 文 目 录 检 索 、 文 摘 浏 览 以 及 全 文部 分 浏 览 服 务 。 公 开 级 学 位 论 文 全 文 电 子 版 允 许 读 者 在 校 园 网 上 浏 览 并 下 载全 文 。 注 ： 本 协 议 书 对 于 “ 非 公 开 学 位 论 文 ” 在 保 密 期 限 过 后 同 样 适 用 。 院 系 名 称 ： 机 械 工 程 学 院 作 者 签 名 ： 彭 李 学 号 ： 07047 201年 6月 6日四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 I 摘 要 随 着 生 产 力 水 平 和 科 学 技 术 的 日 益 进 步 ， 机 器 人 在 工 业 生 产 中 的 应 用 越来 越 广 泛 。 机 器 人 仿 真 是 机 器 人 研 究 的 一 项 很 重 要 的 内 容 ， 它 涉 及 机 构 学 、运 动 学 、 零 件 建 模 、 仿 真 和 运 动 控 制 ， 是 一 项 综 合 性 的 有 实 用 价 值 的 研 究 课题 。 本 课 题 以 四 自 由 度 人 为 研 究 对 象 ， 基 于 对 其 进 行了 运 动 空 间 、 工 作 轨 迹 、 运 动 速 度 及 加 速 度 、 转 动 力 矩 等 方 面 的 进 行 研 究 。 本 课 题 建 立 了 四 自 由 度 人 整 体 的 模 型 ， 并 建 立 了 末 端 机 械 手的 运 动 学 方 程 ， 理 论 分 析 了 其 末 端 机 械 手 的 位 姿 和 速 度 、 加 速 度 。 从 理 论 对机 器 人 的 运 动 学 规 律 进 行 研 究 。 利 用 器 人 做 了 运 动 学 和 动 力 学 仿真 ， 得 到 了 机 器 人 末 端 机 械 手 的 速 度 、 加 速 度 、 位 移 和 力 矩 参 数 。 仿 真 分 析 结 果 可 以 为 四 自 由 度 人 设 计 起 到 支 持 作 用 。 机 器 人仿 真 分 析 的 应 用 对 于 提 高 工 业 产 品 的 品 质 ， 降 低 产 品 开 发 和 生 产 成 本 具 有 很大 的 作 用 。 关 键 词 ： 四 自 由 度 人 ； 运 动 学 分 析 ； 动 力 学 分 析 ； 仿 真 ； 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 I of in As a of is a of of a of a up of of in At of In by to in of as to of of of a 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 录 第 一 章 绪 论 . 1 题 背 景 . 1 究 意 义 . 2 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 发 展 概 况 . 2 系 统 动 态 仿 真 技 术 概 论 . 2 系 统 动 态 仿 真 技 术 国 内 外 应 用 现 状 . 3 在 机 械 系 统 分 析 中 的 应 用 现 状 和 研 究 现 状 . 4 题 主 要 研 究 的 内 容 . 5 第 二 章 四 自 由 度 人 的 基 本 结 构 及 建 模 . 7 自 由 度 人 基 本 规 格 . 7 维 建 模 软 件 的 基 本 介 绍 . 8 于 自 由 度 人 的 建 模 及 装 配 . 1 自 由 度 人 的 建 模 概 括 . 1 自 由 度 人 的 建 模 过 程 . 12 自 由 度 人 装 配 . 17 章 小 结 . 19 第 三 章 四 自 由 度 人 的 数 学 模 型 及 分 析 . 20 由 度 人 的 . 20 由 度 人 位 姿 方 程 的 正 解 . 21 由 度 人 位 姿 方 程 的 逆 解 . 2 由 度 人 速 度 加 速 度 的 求 解 . 23 度 分 析 . 24 章 小 结 . 26 第 四 章 四 自 由 度 人 动 态 仿 真 分 析 . 27 系 统 动 态 仿 真 分 析 软 件 介 绍 . 27 由 度 人 的 运 动 学 模 拟 及 仿 真 . 29 人 的 . 29 器 人 运 动 学 仿 真 . . 37 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 器 人 的 动 力 学 模 拟 及 仿 真 . 46 章 小 结 . 51 第 五 章 结 论 与 展 望 . 论 . 52 术 经 济 分 析 报 告 . 54 术 可 行 性 分 析 . 54 济 优 越 性 分 析 . 54 一 步 研 究 展 望 . 54 参 考 文 献 . 56 致 谢 . 58 声 明 . 59四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 1 第 一 章 绪 论 题 背 景 随 着 生 产 力 水 平 和 科 学 技 术 的 日 益 进 步 ， 在 机 器 人 的 研 究 中 ,建 模 仿 真 、运 动 学 计 算 、 动 力 学 计 算 、 优 化 设 计 等 几 个 方 面 的 工 作 非 常 重 要 同 时 工 作 量又 都 很 大 ,常 见 的 工 作 方 式 是 采 用 不 同 的 软 件 分 别 处 理 ,当 参 数 有 变 动 时 上 述几 项 工 作 的 改 动 量 很 大 ,非 常 不 灵 活 ,利 用 一 优 秀 软 件 可 将 这 几 项 工作 有 机 地 结 合 在 一 起 ,从 而 大 大 提 高 工 作 效 率 。 因 此 ， 这 是 一 项 综 合 性 的 有 实用 价 值 的 研 究 课 题1。 机 械 系 统 动 力 学 仿 真 分 析 技 术 是 当 前 设 计 制 造 领 域 的 一 门 新 兴 技 术 ,该技 术 在 计 算 机 上 通 过 术 将 产 品 信 息 集 成 到 计 算 机 提 供 的可 视 化 虚 拟 环 境 ,在 实 际 产 品 制 造 之 前 实 现 产 品 的 仿 真 、 分 析 与 优 化 过 程 。机 器 人 仿 真 是 机 器 人 研 究 中 的 重 要 环 节 ,可 应 用 于 机 器 人 运 动 学 、 动 力 学 分析 ,轨 迹 和 路 径 规 划 ,机 器 人 与 工 作 环 境 的 相 互 作 用 ,离 线 编 程 等 方 面 。 随着 目 前 虚 拟 制 造 及 数 字 化 制 造 等 先 进 制 造 技 术 的 发 展 ,机 器 人 仿 真 也 成 为 围绕 产 品 生 命 周 期 的 整 个 数 字 化 设 计 、 验 证 及 制 造 环 境 的 重 要 组 成 部 分 。 研 究与 开 发 机 器 人 虚 拟 样 机 系 统 ,可 以 在 虚 拟 环 境 中 完 成 以 上 方 面 的 研 究 工 作 ,为 机 器 人 研 究 及 先 进 制 造 技 术 的 发 展 提 供 新 的 手 段 。 机 械 系 统 动 力 学 仿 真 分 析 软 件 初 由 美 国 公 司 公 司 开 发 , 是目 前 最 著 名 的 虚 拟 样 机 分 析 软 件 。 多 体 系 统 动 力 学 理 论 为 基 础 开 发出 的 大 型 机 械 系 统 仿 真 分 析 软 件 , 使 用 交 互 式 的 图 形 环 境 和 零 件 库 、 约 束 库 、力 库 等 , 能 够 创 建 完 全 参 数 化 的 机 械 系 统 动 力 学 模 型 ， 并 能 对 虚 拟 机 械 系 统进 行 静 力 学 、 运 动 学 和 动 力 学 分 析 2。 本 研 究 从 机 器 人 运 动 学 和 动 力 学 参 数 设 计 角 度 出 发 ,利 用 动 力 学 仿 真 软件 了 一 套 完 整 的 设 计 过 程 的 方 法 ,在 进 行 运 动 学 和 动 力 学 仿 真 过程 中 ,采 用 无 路 径 的 搜 索 方 法 ,在 全 部 的 机 器 人 工 作 空 间 内 进 行 搜 索 ,最 终 求取 机 器 人 关 节 的 力 矩 极 限 值 。 与 以 往 的 简 化 设 计 方 法 相 比 ,提 高 了 机 器 人 系统 的 设 计 精 度 ,很 好 地 解 决 了 机 器 人 本 体 设 计 中 参 数 无 法 精 确 确 定 的 难 题 ,因 此 对 于 快 速 、 准 确 地 开 发 机 器 人 本 体 、 提 高 机 器 人 性 能 具 有 重 要 意 义 。 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 2 本 研 究 主 要 利 用 用 建 模 功 能 ,结 合 关 节 型 机 器 人 的 特 点 ,将 动力 学 分 析 中 的 参 数 选 择 、 求 解 、 运 动 空 间 、 工 作 轨 迹 、 运 动 速 度 及 加 速 度 、转 动 力 矩 等 作 为 仿 真 目 标 ,做 出 运 动 仿 真 分 析 。 究 意 义 本 研 究 针 对 四 自 由 度 人 在 实 际 空 间 中 运 动 轨 迹 、 运 动 的 速 度 、力 和 力 矩 以 及 可 达 空 间 等 问 题 ,利 用 对 其 进 行 动 态 仿 真 分 析 ,模 拟了 四 自 由 度 人 在 实 际 空 间 中 运 动 位 置 变 化 的 全 过 程 ,仿 真 出 四 自 由度 人 在 运 动 中 的 动 力 学 和 运 动 学 的 运 动 状 态 。 实 现 了 缩 短 设 计 周期 、 降 低 设 计 成 本 、 预 先 评 估 设 计 等 作 用 和 功 效 。 实 际 操 作 中 ,为 防 止 生 产 出的 物 理 样 机 无 法 达 到 预 期 的 要 求 提 供 了 有 力 依 据 ,对 机 器 人 的 结 构 设 计 以 及机 器 人 力 学 的 研 究 具 有 一 定 指 导 意 义 。 机 器 人 运 动 学 主 要 是 把 机 器 人 相 对 于 固 定 参 考 坐 标 系 的 运 动 作 为 时 间 的函 数 进 行 分 析 研 究 ,而 不 考 虑 引 起 这 些 运 动 的 力 和 力 矩 。 机 器 人 的 运 动 学 分 析的 是 机 器 人 末 端 操 作 器 的 位 姿 分 析 、 速 度 分 析 和 加 速 度 分 析 。 在 机 器 人 控 制中 运 动 学 分 析 占 有 非 常 重 要 的 地 位 。 在 位 姿 分 析 的 基 础 之 上 ,运 用 机 械 系 统 动力 学 仿 真 分 析 软 件 虚 拟 机 械 系 统 进 行 运 动 学 分 析 ,分 别 以 时 间 和 速度 为 变 量 进 行 仿 真 ,得 出 了 位 移 、 速 度 和 加 速 度 的 曲 线 。 本 次 研 究 四 自 由 度 人 将 利 用 对 其 进 行 动 态 分 析 ，而 且 能 为 机 器 人 的 实 体 开 发 提 供 可 靠 的 数 据 ， 降 低 了 开 发 的 成 本 和 失 败 的 风险 ， 不 仅 效 率 高 ， 质 量 好 ， 而 且 能 节 省 大 量 人 力 劳 动 ， 还 可 避 免 一 些 不 必 要的 损 失 和 浪 费 。 作 为 一 种 工 业 化 机 器 人 ， 其 应 用 与 发 展 必 将 给 人 类 带 来 巨 大的 经 济 与 社 会 效 益 。 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 发 展 概 况 系 统 动 态 仿 真 技 术 概 论 机 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 ， 也 叫 虚 拟 样 机 技 术 ( 称 它 是 一 种 全 新 的 机 械 设 计 方 法 ， 作 为 一 项 计 算 机 辅助 工 程 ( 术 于 上 个 世 纪 80 年 代 随 着 计 算 机 技 术 的 发 展 而 出 现 ， 在 90 年 代 特 别 是 进 入 21世 纪 以 后 得 到 了 迅 速 发 展 和 广 泛 应 用 。 工 程 师 在 计 算 机 上四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 3 建 立 样 机 模 型 ， 对 模 型 进 行 各 种 动 态 性 能 分 析 ， 然 后 改 进 样 机 设 计 方 案 ， 用数 字 化 形 式 代 替 传 统 的 物 理 样 机 。 机 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 涉 及 多 体 系 统 运 动学 与 动 力 学 建 模 理 论 及 其 技 术 实 现 ， 是 基 于 先 进 的 建 模 技 术 、 多 领 域 仿 真 技术 、 信 息 管 理 技 术 、 交 互 式 用 户 界 面 技 术 和 虚 拟 现 实 技 术 的 综 合 应 用 技 术 。 系 统 动 态 仿 真 技 术 国 内 外 应 用 现 状 1. 机 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 国 内 应 用 现 状 在 国 内 ， 虚 拟 样 机 技 术 的 应 用 尚 处 于 起 步 阶 段 ， 主 要 是 引 用 国 外 的 先 进技 术 。 中 航 第 一 飞 机 研 究 院 成 功 推 出 了 国 内 首 架 飞 机 全 机 规 模 电 子 样 机 。 863 项 目 “ 月 球 表 面 探 测 机 器 人 方 案 研 究 ” 则 运 用 虚 拟 样 机 技 术 构 造 虚 拟 月 球面 计 算 仿 真 环 境 ， 并 对 涉 及 到 的 多 项 关 键 技 术 进 行 了 深 入 研 究 ， 取 得 了 很 好的 成 果 。 各 研 究 院 所 纷 纷 开 展 虚 拟 样 机 技 术 在 汽 车 制 造 业 、 工 程 机 械 、 航 天航 空 业 、 国 防 工 业 及 通 用 机 械 制 造 业 等 方 面 的 应 用 研 究 、 仿 真 分 析 及 二 次 开发 。 通 过 对 虚 拟 样 机 各 关 键 技 术 的 深 入 研 究 ,必 将 促 进 虚 拟 样 机 技 术 的 推 广 应用 ， 增 强 我 国 企 业 的 产 品 开 发 能 力 。 2. 机 械 系 统 动 态 仿 真 技 术 国 外 应 用 现 状 在 国 外 ， 虚 拟 样 机 技 术 的 应 用 在 美 国 非 常 广 泛 。 我 们 熟 知 波 音 77飞 机是 世 界 上 首 架 以 无 纸 方 式 研 发 及 制 造 的 飞 机 ， 其 设 计 、 装 配 、 性 能 评 价 及 分析 就 是 采 用 了 虚 拟 样 机 技 术 。 这 不 但 使 研 发 周 期 (8年 缩 短 为 5年 )大 大 缩 短 ，研 发 成 本 大 大 降 低 (设 计 费 用 降 低 94 %， 设 计 更 改 降 低 93 %)， 而 且 确 保 了 最终 产 品 一 次 装 机 成 功 。 波 音 西 科 斯 基 公 司 在 设 计 飞 机 时 ， 使 用 了全 方 位 仿 真 的 方 法 进 行 设 计 和 验 证 ， 花 费 4590h 的 仿 真 测 试 时 间 ， 节 省 了1590h 的 飞 行 测 试 。 197年 7月 4日 ， 美 国 航 空 航 天 局 ( 喷 气 推 进 实验 室 (J 于 采 用 了 虚 拟 样 机 技 术 ， 成 功 地 实 现 了 火 星 探 测 器 “ 探 路 号 ”在 火 星 上 的 软 着 陆 。 在 探 测 器 发 射 以 前 ， J 工 程 师 们 运 用 虚 拟 样 机 技 术预 测 到 由 于 制 动 火 箭 与 火 星 风 的 相 互 作 用 ， 探 测 器 很 可 能 在 着 陆 时 滚 翻 并 最后 6 轮 朝 上 。 工 程 师 们 针 对 这 个 问 题 修 改 了 技 术 方 案 ， 保 证 了 火 星 登 陆 计 划的 成 功 。 约 翰 迪 尔 ( 一 家 具 有 160 多 年 历 史 、 并 在 世 界 农 业 机 械 、建 筑 机 械 领 域 处 于 领 先 地 位 的 世 界 50 强 企 业 ， 总 部 设 在 美 国 伊 利 诺 伊 州 。迪 尔 公 司 也 是 全 球 柴 油 发 动 机 大 型 生 产 商 之 一 。 为 了 解 决 工 程 机 械 在 高 速 行四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 4 驶 时 的 蛇 行 现 象 以 及 在 重 载 下 机 械 的 自 激 振 动 问 题 ， 公 司 的 工 程 师 利 用 虚 拟样 机 技 术 ， 不 仅 找 到 了 原 因 ， 而 且 提 出 了 改 进 方 案 ， 并 且 在 虚 拟 样 机 上 得 到了 验 证 ， 从 而 大 大 提 高 了 产 品 的 高 速 行 驶 性 能 与 重 载 作 业 性 能 。 卡 特 彼 勒 是 建 筑 机 械 、 矿 用 设 备 、 柴 油 和 天 然 气 发 动 机 以 及 工 业 用 燃气 轮 机 领 域 的 技 术 领 导 者 和 全 球 领 先 的 制 造 商 之 一 。 世 界 上 最 大 的 工 程 机 械制 造 商 卡 特 彼 勒 公 司 的 工 程 师 们 采 用 了 虚 拟 样 机 技 术 ， 对 装 载 机 和 挖 掘 机 的工 作 装 置 进 行 了 优 化 设 计 及 分 析 ， 在 一 天 的 时 间 内 ， 他 们 对 工 作 装 置 进 行 了上 万 个 工 位 的 运 动 和 受 力 分 析 。 通 用 动 力 公 司 197 年 建 成 了 第 一 个 全 数 字化 机 车 虚 拟 样 机 ,并 行 地 进 行 产 品 的 设 计 、 分 析 、 制 造 及 夹 具 、 模 具 工 装 设计 和 可 维 修 性 设 计 。 福 特 某 一 款 新 车 型 采 用 虚 拟 样 机 技 术 ， 缩 短 设 计 周 期 70天 。 全 公 司 内 采用 减 少 设 计 费 用 4 00万 美 元 ， 节 省 制 造 费 用 10 亿 美 元 。 为 了 减 少大 型 洗 衣 机 的 振 动 ， 洗 衣 机 设 备 制 造 商 )用 了 3种 洗 衣 机 的 虚 拟 样 机 ， 然 后 修 改 设 计 方 案 ， 改 变 弹 簧 的 刚 度 和阻 尼 ， 选 用 不 同 类 型 的 减 震 器 ， 变 换 衬 套 的 尺 寸 和 刚 度 ， 进 行 虚 拟 样 机 仿 真试 验 。 每 个 设 计 方 案 的 仿 真 只 需 1h， 但 此 后 的 物 理 样 机 实 验 证 明 与 虚 拟 样 机的 吻 合 程 度 超 过 95%。 在 此 基 础 上 ， 开 发 的 新 型 洗 衣 机 工 作 平 稳 ,寿 命 长 ， 振动 噪 声 小 。 日 产 公 司 是 日 本 的 第 二 大 汽 车 公 司 ， 也 是 世 界 10 大 汽 车 公 司 之 一 。该 公 司 除 生 产 各 型 汽 车 外 ， 还 涉 足 机 床 、 工 程 机 械 、 造 船 和 航 天 技 术 领 域 。日 产 汽 车 公 司 利 用 虚 拟 样 机 进 行 概 念 设 计 、 包 装 设 计 、 覆 盖 件 设 计 、 整 车 仿真 设 计 等 。 在 意 大 利 ， 一 位 赛 车 手 在 赛 车 中 因 事 故 丧 生 ， 其 家 属 起 诉 赛 车 制 造 商 ，认 为 事 故 的 原 因 是 赛 车 的 设 计 缺 陷 ， 要 求 巨 额 赔 偿 。 制 造 商 借 助 于 虚 拟 样 机技 术 ， 说 明 赛 车 设 计 合 理 ,事 故 原 因 是 赛 车 手 操 纵 不 当 。 法 庭 根 据 供的 证 据 ， 做 出 了 客 观 的 判 决 3。 在 机 械 系 统 分 析 中 的 应 用 现 状 和 研 究 现 状 机 械 系 统 动 力 学 仿 真 分 析 软 件 初 由 美 国 公 司 公 司 开 发 , 是目 前 最 著 名 的 虚 拟 样 机 分 析 软 件 。 多 体 系 统 动 力 学 理 论 为 基 础 开 发出 的 大 型 机 械 系 统 仿 真 分 析 软 件 , 使 用 交 互 式 的 图 形 环 境 和 零 件 库 、 约 束 库 、力 库 。 能 够 创 建 完 全 参 数 化 的 机 械 系 统 动 力 学 模 型 。 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 5 通 过 上 模 块 , 可 以 建 立 包 括 机 液 一 体 化 在 内 的 任 意 复 杂系 统 的 多 体 动 力 学 数 字 化 虚 拟 样 机 模 型 , 并 能 对 虚 拟 机 械 系 统 进 行 静 力 学 、运 动 学 和 动 力 学 分 析 。 的 真 可 用 于 预 测 机 械 系 统 的 性 能 、 运 动 范 围 、碰 撞 检 测 、 峰 值 载 荷 以 及 计 算 有 限 元 的 输 入 载 荷 等 , 当 前 广 泛 应用 于 多 个 工 业 领 域 。 目 前 , 应 用 在 航 空 航 天 、 汽 车 制 造 、 造 船 、 机 器 人 及 其 它多 种 工 业 机 械 , 并 取 得 了 很 好 的 社 会 经 济 效 益 。 世 界 最 先 进 的 包 装 机 械 制 造商 程 师 们 利 用 的 设 计 并 试 验 饮 料 加 注 系 统 的 单 向阀 ; 美 国 航 空 航 天 局 的 喷 气 推 进 实 验 室 成 功 地 实 现 了 火 星 探 测 器 (探 路 号 )在火 星 上 的 软 着 陆 , 程 师 利 用 虚 拟 样 机 技 术 仿 真 研 究 了 宇 宙 飞船 在 不 同 阶 段 的 工 作 过 程 ; 国 航 天 部 上 海 航 天 局 第 805研 究 所 利 用 完 成 了 国 家 高 技 术 项 目 空 间 站 两 自 由 度 大 面 积 柔 性 太 阳 池 阵 !动 力 学 仿 真 研究 。 在 我 国 , 自 从 北 京 吉 普 汽 车 公 司 曾 经 利 用 开 发 了 车 型 。 更 广 泛 的 应 用 于 复 杂 机 构 或 复 杂 机 械 系 统 的 研 究 , 比 如汽 车 的 几 乎 所 有 总 成 、 多 级 轮 系 、 并 联 机 床 、 电 梯 、 起 重 机 械 、 农 业 机 械 等复 杂 机 械 系 统 。 这 些 研 究 采 用 的 方 法 大 多 是 在 建 立 了 系 统 模 型 的 基 础 上 利 真 分 析 功 能 对 系 统 的 动 力 学 进 行 分 析 , 绝 大 部 分 是 利 用 某 一 具 体 机 械 系 统 进 行 分 析 , 而 对 行 创 新 性 的 应 用 研 究 或 功 能 拓 展型 的 研 究 较 少 。 题 主 要 研 究 的 内 容 本 课 题 主 要 用 自 由 度 人 进 行 运 动 学 及 动 力 学 分 析 ，对 其 运 动 空 间 、 工 作 轨 迹 、 运 动 速 度 及 加 速 度 、 转 动 力 矩 等 进 行 研 究 ， 验 证四 自 由 度 人 的 工 作 过 程 轨 迹 、 可 达 空 间 ， 分 析 该 机 器 人 工 作 进 程中 的 运 动 速 度 和 加 速 度 ， 并 对 近 一 步 优 化 提 出 可 行 意 见 。 的 基 本 内 容 如 下 ： （ 1) 利 用 自 由 度 人 进 行 建 模 ,然 后 导 入 到 中 ， 对 四 自 由 度 人 运 动 学 和 动 力 学 进 行 仿 真 分 析 ， 最 终 得 到 机 器人 各 关 节 的 动 力 学 参 数 。 （ 2) 深 入 学 习 应 用 建 立 动 力 学 模 型 的 方 法 ， 并 且 建 立 与 实 际四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 6 四 自 由 度 人 系 统 结 构 相 对 应 的 动 力 学 模 型 ， 研 究 四 自 由 度 人 的 运 动 轨 迹 ， 分 析 机 器 人 工 作 过 程 的 运 动 速 度 、 加 速 度 和 可 达 空 间 。 （ 3) 通 过 所 给 参 数 研 究 机 器 人 末 端 可 达 到 的 最 大 速 度 ， 为 物 理 样 机 提 供数 据 。 （ 4） 机 器 人 末 端 载 物 和 不 载 物 ， 来 分 析 机 器 人 的 力 矩 变 化 ， 为 样 机 提 供数 据 。 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 7 第 二 章 四 自 由 度 人 的 基 本 结 构 及 建 模 自 由 度 人 基 本 规 格 中 文 译 名 ： 选 择顺 应 性 装 配 机 器 手 臂 ） 是 一 种 圆 柱 坐 标 型 的 特 殊 类 型 的 工 业 机 器 人 。 1978年 ， 日 本 山 梨 大 学 牧 野 洋 发 明 该 机 器 人 具 有 四 个 轴 和 四 个运 动 自 由 度 ， (包 括 X,Y, 的 平 动 自 由 度 和 绕 转 动 自 由 度 )。 该 系列 的 操 作 手 在 其 动 作 空 间 的 四 个 方 向 具 有 有 限 刚 度 ， 而 在 剩 下 的 其 余 两 个 方向 上 具 有 无 限 大 刚 度 。 在 x， 上 具 有 顺 从 性 ， 而 在 向 具 有 良 好 的 刚 度 ，此 特 性 特 别 适 合 于 装 配 工 作 ， 例 如 将 一 个 圆 头 针 插 入 一 个 圆 孔 ， 故 先 大 量 用 于 装 配 印 刷 电 路 板 和 电 子 零 部 件 ； 一 个 特 点 是 其 串 接的 两 杆 结 构 ， 类 似 人 的 手 臂 ， 可 以 伸 进 有 限 空 间 中 作 业 然 后 收 回 ， 适 合 于 搬动 和 取 放 物 件 ， 如 集 成 电 路 板 等 。 如 今 人 还 广 泛 应 用 于 塑 料 工 业 、 汽 车 工 业 、 电 子 产 品 工 业 、药 品 工 业 和 食 品 工 业 等 领 域 。 它 的 主 要 职 能 是 搬 取 零 件 和 装 配 工 作 。 它 的 第一 个 轴 和 第 二 个 轴 都 具 有 转 动 特 性 ， 第 三 和 第 四 个 轴 可 以 根 据 工 作 的 需 要 的不 同 ， 制 造 成 相 应 多 种 不 同 的 形 态 ， 并 且 一 个 具 有 转 动 、 另 一 个 具 有 线 性 移动 的 特 性 。 由 于 其 具 有 特 定 的 形 状 ， 决 定 了 其 工 作 范 围 类 似 于 一 个 扇 形 区 域 4。如 图 2 自 由 度 人 实 物 图 ， 表 2 技 术 参 数 。 图 2 自 由 度 人 实 物 图 四 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 8 表 2 自 由 度 人 的 技 术 参 数 要 求 机 构 形 态 平 面 关 节 式 自 由 度 4 负 载 能 力 2 作 范 围 关 节 转 动 +10 关 节 转 动 +90 关 节 升 降 0 150m 关 节 转 动 0 360 最 大 速 度 关 节 转 动 180o /S 关 节 转 动 360o /S 关 节 升 降 150m/S 关 节 转 动 360o /S 最 大 展 开 半 径 60m 高 度 680m 本 体 重 量 48 装 环 境 温 度 0 +45 度 20 80%不 结 露 振 动 其 它 避 免 易 燃 、 腐 蚀 性 气 体 、 液体 勿 溅 水 、 油 、 粉 尘 等 勿 接 近 电 器 噪 声 源 操 作 方 式 示 教 再 现 /编 程 电 源 容 量 单 相 20V 50A 维 建 模 软 件 的 基 本 介 绍 1. 文 缩 写 。 是 世 界 上 一 种 主 流 的 化 软 件 。 在 70年 代 自 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 9 为 了 第 一 个 用 户 ， 应 运 而 生 。 从 1982年 到 198年 ， 继 发 布 了 1版 本 、 2版 本 、 3版 本 ， 并 于 193年 发 布 了 功 能 强 大 的 4版 本 ， 现 在 的 件 分 为 和 两 个 系列 。 应 用 于 台 ， 应 用 于 种 平 台 。 开 发 开 始 于 194年 。 为 了 使 软 件 能 够 易 学 易 用 ， 94年 开 始 重 新 开 发 全 新 的 5版 本 ， 新 的 界 面 更 加 友 好 ， 功 能 也 日趋 强 大 ， 并 且 开 创 了 件 的 一 种 全 新 风 格 。 2 信 国 际 有 限 公 司 推 出 的 基 于 械 设 计 软 件 。生 信 公 司 是 一 家 专 业 化 的 信 息 高 速 技 术 服 务 公 司 ， 在 信 息 和 技 术 方 面 一 直 保持 与 国 际 同 步 。 该 公 司 提 倡 的 “ 基 于 集 成 系 统 ” 是 以 台 ， 以 心的 各 种 应 用 的 集 成 ， 包 括 结 构 分 析 、 运 动 分 析 、 工 程 数 据 管 理 和 数 控 加 工 等 ，为 中 国 企 业 提 供 了 梦 寐 以 求 的 解 决 方 案 。 机 版 参 数 化 特 征 造 型 软 件 的 新 秀 ， 该 软 件 旨 在 以 工 作 站版 的 相 应 软 件 价 格 的 1/4 1/5向 广 大 机 械 设 计 人 员 提 供 用 户 界 面 更 友 好 ， 运行 环 境 更 大 众 化 的 实 体 造 型 实 用 功 能 。 于 的 全 参 数 化 特 征 造 型 软 件 ， 它 可 以 十 分方 便 地 实 现 复 杂 的 三 维 零 件 实 体 造 型 、 复 杂 装 配 和 生 成 工 程 图 。 图 形 界 面 友好 ， 用 户 上 手 快 。 该 软 件 可 以 应 用 于 以 规 则 几 何 形 体 为 主 的 机 械 产 品 设 计 及生 产 准 备 工 作 中 ， 其 价 位 适 中 。 3. 的 拳 头 产 品 。 该 公 司 首 次 突 破 传 统 ， 为 用 户 提 供 一 个 全 面 的 产 品 建 模 系 统 。 在 优 越 的 参 数 化和 变 量 化 技 术 与 传 统 的 实 体 、 线 框 和 表 面 功 能 结 合 在 一 起 ， 这 一 结 合 被 实 践证 明 是 强 有 力 的 ， 并 被 大 多 数 厂 商 所 采 用 。 应 用 于 美 国 麦 道 飞 机 公 司 。 它 是 从 二 维 绘 图 、 数 控 加 工 编 程 、 曲面 造 型 等 功 能 发 展 起 来 的 软 件 。 90年 代 初 ， 美 国 通 用 汽 车 公 司 选 中 全公 司 的 系 统 ， 这 进 一 步 推 动 了 展 。 197年 10月 与 签 约 ， 合 并 了 后 者 的 机 械 由 度 人 运 动 仿 真 分 析 10 产 品 ， 将 微 机 版 的 统 一 到 上 。 由 此 形 成 了 一 个从 低 端 到 高 端 ， 兼 有 站 版 和 版 的 较 完 善 的 企 系 统 。 4 的 主 导 产 品 。 是 世 界 第 四 大 公 司 。 目 前 在 领 域 内 ， 该 公 司 是 拥 有 全 球 用 户 量 最 多 的 软 件供 应 商 ， 也 是 全 球 规 模 最 大 的 基 于 的 画 及 可 视 化 软 件 企 业 。 的 软 件 产 品 已