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南京理工大学工程硕士学位论文b y _ 6 机器人腕部结构设计与分析 摘要 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，人工智熊、仿 生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器 人的应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志 本文的主要任务和要解决的问题，是设计一台六自由度的机器人，并用c a d c a e 软件完成从建模到运动学分析、应力分析的全过程。需要全面理解3 d 建模、有限 元法和运动学仿真的知识。 本研究在国内外学者的已有理论基础上，针对以往研究的不足，根据实际使用 要求，确定采用六自由度的关节型机器人结构方案；由于机器入有结构复杂，构件 繁多的特点，需要用高端软件配合进行建模，装配的工作，故以u g n x 2 为三维建 模工具，设计了机器人的结构；并采用u g - m o n t i o n 对其进行运动学仿真；同时 采用有限元法对其中某些零件的强度进行了校核，得到了在一般工况下的应力分布 和位移状况。为了获得在不同设置情况下求解的区别，特别列举了2 种情况下的求 解结果，并对此进行比较分析。最后通过仿真对机器人的典型运动状态进行分析， 并给出了相关的结果。 研究结果表明，通过三维建模和仿真，在计算机上演示了机器人已达到了预期 的功能，满足了设计的性能要求。而且大大缩短了产品的设计周期，降低了设计成 本。 关键词：机器人三维建模有限元法运动学分析 第1 页 南京理工大学t 程硕士学位论文 b 卜6 机器人腕部结构设计与分析 a b s t r a c t m a n i p u l a t o rt e c h n o l o g yw a sc o m p r e h e n s i v e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yc o n t r o li d e a s t r u c t u r ei d e ai n f o r m a t i o na n d t e c h n o l o g yo f s e n s o rm a n - m a d ei n t e l l i g e n c ea n dd y n a m i c s a n a l y s i s i t sv e r ya c t i v ea n du s e f u li nn o w d a y s t h eu s e a g eo fm a n i p u l a t o ri sav i t a l s y m b o lo f n a t i o mi n d u s t r y sa u t o m a t i o n t h em a i nd u t ya n dp r o b l e mw a st h a td e s i g na6d o fm a n i p u l a t o ra n du s es o f t w a r e c a d c a et oc o m p l e t ef r o m3 dm o d e l i n gt ok i n e m a t i c sa n a l y s i ss t r e s sa n a l yi nt h i s w h o l ep r o c e s s i tm u s tu n d e r s t a n d3 dm o d e l i n gf e ak i n e m a t i c sa n a l y s i si m p o r t a n t m e t h o d so f e n g i n e e r i n ga n a l y s i s t h i sr e s c a r c ho nt h eb a s eo fo u t s i d el e a r n st h e o r y a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to f a c t u a lc o n d i t i o n ，a v o i dt h ei m p r o p e rr e s e a r c h i n ga n da d o p t s6d o f j o i n tm a n i p u l a t o r w h i c hr e f e r e n c e s ，b e c a u s eo fm a n i p u l a t o r ss t r u c t u r e c o m p l e xa n dm a n yp a r t s s oi t m u s tu s ea d v a n c e ds o l , r a r et oc o o p e r a t et oa s s e m b l ea n du s e s3 dm o d e l i n gs o f t w a r e u gn x 2t od e s i g nm a n i p u l a t o rs t r u c t u r e k i n e m a t i c s a n a l y s i so fm a n i p u l a t o ru s e u g - m o n t i o nt o o lo fu gn x 2 u s ef e a , i ti n s p e c t st h es t r e n g t ho fs o m ep a r t s , a n d g i v e st h es t r e s sd i s t r i b u t i n ga n dd i s p l a c e m e n tu n d e rg e n e r a lo p e r a 血gc o n d i t i o n s t h e r e s u l to ft w oc o n d i t i o n sw e r el i s t e di no r d e rt oa t t a i nt h ed i s t i n g u i s ho fd i f f e r e n ts e t s f i n a l l y , i tw a sg i v e nt h er e s p e c t i v er e s u l t so f t y p i c a lk i n e m i c ss t a t e st h o u g h tm a n i p u l a t o r s i m u l a t i o n b yt h ew a y so f3 dm o d e l i n ga n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s t h er e s u l tw a ss h o w e dt h e e x p e c tf u n c t i o nw a sr e a c h e d m a n u i p u l a t o rw a sd e m o n s t r a t e di nt h ec o m p u t e r i tg o tt o t h er e q u i r e m e n to fd e s i g n i n g i tn o to n l ys h o r t e nt h ed e s i g np e r i o d , b u ta l s or e d u c et h e c o s to f p r o d u c t k e y w o r d s ：m a n i p u l a t o r ；3 dm o d e l i n g ；f e a ：k i n e m a t i c sa n a l y s i s 第2 页 南京理工大学工程硕士学位论文 y 1 0 0 0 2o b y - 6 机器人腕部结构设计与分析 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中， 除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不 包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对 本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 盔垒亟2 一一6 年7 月6 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本 学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处 理。 研究生躲叠幽、跏6 年歹月6 日 第1 页 南京理工大学工程硕士学位论文 b y - 6 机器人腕部结构设计与分析 1 绪论 机器人是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造中的 一个重要组成部分。机器人显著地提高了l 劳动生产率，加快实现工业生产机械化和 自动化的步伐。尤其在高温、高压、粉尘、噪音以及带有放射性和污染的场合，应 用得更为广泛。因而受到备先进工业国家的重视，投入大量人力物力加以研究和应 用 1 1 。 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。它是一种独立 的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操 作。它的特点是除了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。它可以灵活运用在工业上的各个方面，如喷漆，焊接、搬运等。第二类 是需要人工操作的，称为机械机。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。第三类是专用机器人，主要附属于自动机床或自 动线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外称为“m e c h a n i c a l h a n d ”，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，采 用机械编程。因此是专用的f 羽 1 1 机器人发展现状与机器人设计 1 1 1 国外机器人发展现状 1 9 5 8 年美国联合控制公司研制出第一台机器人它的结构是：机体上安装一回 转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教的。1 9 6 2 年，美国联合 控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机器人，取名为 u n i m a t e 。同年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫v e r s a t r a n 的机器人。虽然 这两种机器人出现在六十年代初，但都是国外工业机器人发展的基础。 7 日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自1 9 6 9 年从美国引进两种典 型机器人后，大力从事机器人的研究。据报道，1 9 7 9 年从事机器人的研究工作的大 专院校、研究单位达5 0 多个。1 9 7 6 年各大学和国家研究部门用在机器人的研究经 费约占总研究费用的4 2 。1 9 7 9 年日本机器人的产值达4 3 3 亿日元，产量为1 4 5 3 5 台。目前机器人占有量居世界第一。 根据国际工业机器人联合会( ifr ) 前几年的统计，到2 0 0 0 年全世界工业 机器人的总数将达到8 2 万台，比1 9 9 6 年增加2 4 。其中，日本拥有了4 2 万台， 第1 页 l-rf |。l-r r 南京理工大学- r 程硕- t ：- 学位论文 时一6 机器人腕部结构设计与分析 占全世界机器人总数的5 0 左右，继续保持“机器人王国”地位。美国在1 9 7 0 1 9 8 0 年间的机器人台数增加2 0 倍以上，尽管其所拥有的机器人在台数上不如日本， 但其技术水平较高，占有一定的优势。到1 9 9 8 年，美国拥有8 万多台机器人，德 国为7 万多台，分别占世界机器人总数的1 5 和1 3 左右，排名世界第2 位和第3 位。在亚洲，韩国的机器人产业发展迅速，现排名世界第5 位，而日本、韩国和新 加坡的机器人密度( 即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量) 居世界第l 3 位，包揽了前三名。西欧的意大利、法国、英国和东欧的匈牙利、波兰、南斯拉夫 以及北美的加拿大等，机器人制造业及应用机器人的情况都有很大发展。一组统计 数据显示了世界现役机器人台数和预测台数，从中可以看出近几年世界工业机器人 的发展状况1 3 j 。具体情况见表1 1 ： 表1 11 9 9 0 ，1 9 9 4 ，1 9 9 8 及预计2 0 0 2 年底现装备机器人台数 8 | | 旱掣 1 9 9 01 9 9 41 9 9 8 2 0 0 2 9 8 9 7 变化 日本 2 7 4 ，2 0 03 7 7 ，0 0 04 1 1 ，8 0 03 6 6 ，6 0 0 一o 3 美国 3 9 ，0 0 05 7 ，1 0 08 1 ，7 0 01 2 0 ，2 0 0 6 0 德国 2 7 ，3 0 04 5 ，3 0 07 3 ，2 0 0 1 0 3 ，8 0 0 9 5 意大利 1 2 ，2 0 02 0 ，6 0 03 1 ，5 0 04 7 ，4 0 0 1 1 o 法国 8 ，4 0 01 2 ，3 0 01 6 ，2 0 02 0 ，0 0 0 3 7 英国5 ，9 0 0 8 ，1 0 0i 0 ，8 0 01 5 ，0 0 0 8 1 六大国 3 6 7 ，0 0 05 2 0 ，5 0 06 2 5 ，2 0 06 7 3 ，0 0 0 2 3 奥地利 1 ，1 0 02 ，1 0 02 ，8 0 0 5 2 荷比卢 2 ，3 0 04 ，5 0 07 ，2 0 0 1 1 2 丹麦 5 0 06 0 0 l ，0 0 0 2 0 5 芬兰 8 0 0 l 。2 0 0l ，9 0 0 1 7 8 挪威4 0 05 0 05 0 0 2 1 西班牙2 ，1 0 04 ，2 0 08 ，6 0 0 2 3 4 瑞典 3 ，3 0 04 ，2 0 05 ，3 0 0 7 1 瑞士1 ，5 0 0 2 ，5 0 03 ，3 0 0 8 7 西欧八国 1 2 ，2 0 01 9 ，7 0 03 0 ，7 0 04 8 ，7 0 0 1 3 2 澳大利亚1 ，4 0 0l ，8 0 02 ，6 0 08 2 | 韩国 3 ，0 0 01 2 ，7 0 0 ：3 1 ，4 0 0 4 1 新加坡l ，4 0 0 2 ，3 0 05 ，0 0 0 7 6 第2 页 r 南京理工大学工程硕士学位论文盯- 6 机器人腕部结构设计与分析 中国台湾省l ，3 0 0 3 ，3 0 05 ，8 0 0 1 3 5 亚洲三国 和一地区 7 ，1 0 02 0 ，0 0 04 4 ，8 0 0 5 3 6 0 05 8 | 一总计 4 5 9 ，4 0 05 8 6 ，1 0 07 2 0 ，4 0 07 9 9 ，4 0 0 3 0 1 1 2 国内机器人发展现状 我国机器人起步于2 0 世纪7 0 年代初期，经过3 0 多年的发展，大致可分为3 个阶段：7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期，9 0 年代的实用化期。在高技术发展 的推动下，随着改革开放方针的实施，我国机器人技术的发展得到政府的重视和支 持。在8 0 年代中期，国家组织了对工业机器人需求的行业调研，结果表明，对第 一代工业机器人的需求主要集中在汽车行业( 占总需求的60 70 ) 。在众 多专家的建议和规划下，于“七五”期间，由机电部主持，中央各部委、中科院及 地方科研院所和大学参加，国家投入相当资金，进行了工业机器人基础技术、基础 元器件，几类工业机器人整机及应用工程的开发研究。经过五年攻关，完成了示教 再现式工业机器人成套技术( 包括机器人、控制系统、驱动转动单元、测试系统的 设计、制造、应用和小批量生产的工艺技术等) 的开发，研制出喷漆、弧焊、点焊 和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件的主要性能 指标达到8 0 年代初国外同类产品的水平，并且形成小批量生产能力。经过8 0 年代 尤其是后5 年的努力，我国的工业机器人技术发展基本上可以立足于国内。9 0 年代 中期，国家己选择以焊接机器人的工程应用为重点进行开发研究，从而迅速掌握焊 接机器人应用工程成套开发技术、关键设备制造、工程配套、现场运行等技术。目 前已有5 0 0 台左右的焊接机器人分布于各大中城市的汽车、摩托车、工程机械等制 造业，其中5 5 左右为弧焊机器入，4 5 左右为点焊机器人，已建成的机器人焊接 柔性生产线5 条，机器人焊接工作站3 0 0 个。9 0 年代后半期是实现国产机器人的商 品化时期，为产业化奠定了基础 4 】阁。 1 1 3 机器人设计 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【6 1 忉。 第3 页 南京理工大学t 程硕士学位论文 b y 6 机器人腕部结构设计与分析 机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的 一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器 可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进 化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领 域不可缺少的自动化设备1 8 】1 9 】。 机器人领域发展近几年有如下几个趋势： 1 工业机器人性能不断提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修) ， 而单机价格不断下降，平均单机价格从9 1 年的1 0 3 万美元降至9 7 年的6 5 万美元。 2 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器整机；国外已有模 块化装配机器手的产品上市。 3 工业机器人控制系统向基于p c 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网 络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可 靠性、易操作性和可维修性。 4 机器中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器 外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声 觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配 置技术在产品化系统中已有成熟应用 5 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使 遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 6 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与 机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智 能机器人走出实验室进入实用化阶段。 7 人化机械开始兴起。从9 4 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已 成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。 在传统的设计与制造过程中，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破 坏性的。当通过实验发现缺陷时，就要回头修改设计并再用样机验证。这一过程是冗 长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期更加漫长，更不用谈对市场的灵活反应了 于是运动分析虚拟样机技术便应运而生了。它可以使产品设计人员在虚拟环境中 真实地模拟机器人的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言 难以进行或根本无法进行的实验，直到获得最优化的设计方案。这种方法不但可以缩 短开发周期，而且设计质量和效率也得到了很大的提高【i o 】。 第4 页 南京理工大学t 程硕士学位论文 b y - 6 机器人腕部结构设计与分析 1 2 计算机辅助设计分析c a d c a e 1 2 1 计算机辅助设计分析c a d c a e 意义 现代科学技术的发展表明，要使工程设计技术走上现代化道路，必须利用电子 计算机技术，即将电子计算机技术与各个工程领域相结合形成交叉学科。从2 0 世 纪6 0 年代开始，产生了计算机辅助设计_ c a d 系统和c a d 技术( c o m p u t e r - a i d e d d e s i g n ) 。 c a d 是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程进行设计的方法与技 术，包括设计、绘图，工程分析与文档制作等设计活动，它是一种新的设计方法，也 是一门多学科综合运用的新技术。 c a d 涉及以下一些基础技术： 图形处理技术如二维交互图形技术、三维几何造型技术及其它图形输入、输 出技术。 工程分析技术。如有限元分析、优化设计以及面向各种专业的工程分析等。 数据管理与数据交换技术。如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范 及接口技术等。 除此之外，c a d 技术还包括软件设计技术( 如窗口界面设计、软件工程规范等) ， 文档处理技术等。 ， 从以上对c a d 技术的叙述可以看出，c a d 涉及的技术范围很广，通常所说的计算 机绘图并不是c a d 的全部内涵，而只是c a d 技术的基础之一。 传统的工业依据个人的经验累计而成，同时以经验作出初步的设计。成品完成后， 便进行实验以确保产品的可靠性，这种方法称为试误法( t r ya n de r r o r ) 。计算机辅 助工程分析c a e ( c o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n g ) 是利用计算机系统对零件模型在 计算机上考察产品是否可以达到预期的功能，以及产品性能是否可以满足要求，而取 代试做零件进行测试的一种计算机辅助技术。它可以缩短产品开发周期，提高产品的 设计质量。目前利用这项技术可以进行有限元分析、结构运动学分析等，其适用范围 迅速扩大，在热、流体、声学、控制系统、电场、磁场分析和寿命预测等方面也都有 应用。它的分析结果可以提供给设计者进行判断，并确定产品的参数、形状和结构。 c a e 的技术种类很多，其中包括有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；f e a ) ，边界 第5 页 结构设计与分析 n c e 矾e t h o d f d m ) ，虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 等。各种方法各有其应用 的领域。 1 2 2c a d c a e 发展现状 经过四十多年的发展，c a d c a e 技术有了长足的进步。硬件方面，现在c a d c a e 主要运行在工作站或微机平台上，工作站虽然性能优越，图形处理速度快，但价格 却十分昂贵，这在一定程度上限制了c a d c a e 技术的推广。随着p e n t i u m 芯片和 w i n d o w s n t 操作系统的出现并流行，以前只能运行在工作站上的c a d c a e 软件现在 也可以运行在微机上。由于微机的价格远远比工作站低，性能也不比中低档工作站 逊色多少，并且w i n d o w s n t 操作系统的安全性与d o s 、w i n d o w s 3 x 、w i n d o w s 9 5 9 8 等操作系统相比有了很大提高。所以，微机平台为普及c a d 应用创造了绝好的条件。 软件方面，c a d c a e 软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的c a d 的 软件( 如u g 、c a t i a 、a n s y s ) 全功能地移植到微机平台，使微机完全对等地实现了 工作站环境的处理能力；另一方面c a d c a e 软件打破了原有u n i x 环境的桎梏，在 w i n d o w s 平台上全面拓展。p e n t i u m 以上处理器和n t 环境已经或者正在成为c a d c a e 软件运行和应用的主流平台。 c a e 算法方面，有限单元法作为c a e 最具代表性的方法，最早可以追溯到 c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作，他第一次完成应用在三角形区域上的分片连续函数和最 小位移原理像结合，寻求解决s t v e n a n t 扭转问题。但是直到1 9 6 0 年后，随着计 算机的发展和广泛应用，有限单元法的发展才显著加快。有限单元法第一个成功的 尝试，是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题，这是t u r n e rc l o u g h 等人在 分析飞机结构时于1 9 5 6 年得到的结果。他们第一次给出了三角形单元求得平面应 力问题的正确解答。 三十多年来，有限单元法的理论得到了迅速的，持续不断的发展。已经开发出 了许多大型的通用有限元程序，如a d a m s 、n a s t r a n 、s a p 、a d i n a 、l u s a s 等。它们 一般都有结构的静动力分析，大变形和稳定分析，各种非线性分析，以及热传导、 热应力、流体分析和多体祸合等功能。有比较成熟，齐全的单元库，提供了2 次开 发的接口。 第6 页 南京理工大学工程硕士学位论文 吖_ 6 机器人腕部结构设计与分析 1 2 2c a d c a e 与国外水平差距 c a d 方面，国内一些单位虽然采用了计算机辅助设计( c a d ) 技术，但只是停留在 引进、消化和吸收阶段，难以形成具有成熟的理论指导和设计体系。而国外一些企 业把设计过程完全程序化，根据制品的要求来确定形状。现在，又有创新设计、稳 健设计、快速响应设计等现代设计技术在完善中。远远走在了中国的前面。 c a e 方面，主要是以有限元法为代表，国外现在重点发展了非线性有限元分析 的方法和理论。包括关于一维和多维连续体的有限元离散化，关于非线性材料和大 变形本构方程的公式，关于离散方程的求解过程( 包括数值和物理的非稳定性的考 虑，以及结构和接触一碰撞问题的处理) 对于在工业过程和研究的仿真中，具有 大变形的l a g r a n g i a n ，任意的l a g r a n g i a n 和e u l e r i a n 网格问题正在逐步发展，即 由l a g r a n g i a n 网格不能处理的问题，国外研究员建立了它们的弱形式和离散方程， 全面阐述了更新的l a g r a n g i a n 和完全的l a g r a n g i a n 方法。 1 3 机器人组成 机器人主要由执行机构、驱动装置和控制系统三大部分组成。 1 3 1 执行机构 执行机构由手部、腕部、臂部、腰部和基座等运动部件组成【l ”。 1 ) 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。回转 型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较 复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适 宜夹持直径变化范围大的工件。 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【1 2 1 。 2 ) 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 第7 页 南京理工大学t 程硕士学位论文盱- 6 机墨人腕部结构设计与分析 3 ) 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。 4 ) 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。 5 ) 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【1 3 1 。 ， 1 3 2 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。 1 3 3 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。 1 4 机器人分类 1 4 1 按用途分类 1 专用机器人 专用机器人是专为一定设备服务的，简单、实用，目前在生产中运用比较广泛。 它一般只能完成一、二种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固 定的，也可根据需要编制程序控制，以获得多种工作程序，适应多种作业的需要。 2 通用机器人 通用机器人是在专用机器人的基础上发展起来的。它能对不同的物件完成多种 动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置。它的动作程序可以 按照工作需要来改变，大都是采用计算机控制系纠1 4 1 。 通用机器人又分为简易型、示教再现型和智能机器人、操纵式机器人等几种。 ( 1 ) 简易型通用机器人是目前国内外应用最多的一种，固定程序采用凸轮转鼓； 第s 页 南京理工大学工程硕士学位论文 酣6 机器人腕部结构设计与分析 可变程序则采用插销板或插件板进行控制。 ( 2 ) 示教再现型通用机器人，先由人操纵机器人完成必要的动作，由磁带或磁 鼓加以记录存贮，然后根据存贮的信息进行动作。故又称之为重复型机器人。 ( 3 ) 智能机器人具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的“眼睛”，以声 敏元件模拟人的“耳朵”，以热电偶和电阻应变仪模拟人的“皮肤”的冷热感觉和 触觉，以电子计算机模拟人的“大脑”。具有以上“视觉”、。听觉”、“触觉”以及 能思考的智能机器人( 机器人) ，目前已经研制成功。 ， ( 4 ) 操纵式机器人在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时 改变。操纵式可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进 入的环境中工作，如海底资源开发，宇宙空间探索，以及危险的工作地区。其缺点 是结构复杂，成本科u i 。 1 4 2 按控制形式分类 1 点位控制型机器人 点位控制型机器入的运动轨迹是空间二个点之间的联接。控制点数愈多，性能 愈好。它基本能满足于各种要求，结构简单。绝大部分机器人是点位控制型。 2 连续轨迹控制型机器人 这种机器人的运动轨迹是空间的任意连续曲线，它能在三维空间中作极其复杂 的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂1 1 6 】。 1 4 3 按驱动方式分类 1 液压机器人：输出力大，传动平稳。 2 气压机器人：气源方便，输出力小，气压传动速度快，结构简单，成本低。 但工作不太平稳，冲击大。 3 电动式机器人：电力驱动是目前机器人使用的最多的一种驱动方式，其特点 是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测，传递，处理方便，可以采用多种灵 活的控制方案。驱动电机一般采用交流伺服电机，直流伺服电机，步进电机。由于 电机速度高，通常还须采用减速机构( 如谐波减速器、轮系减速机构、滚珠丝杠和 多杆机构) 。目前也有一些用特制电机直接进行驱动，以简化机构，提高控制精度。 4 机械式机器人：工作可靠，动作频率高，结构简单，成本低。但动作固定不 可变【2 引。 第9 页 r 南京理工大学工程硕士学位论丈 时书机器人腕部结构设计与分析 1 5 本课题研究目的、意义和研究方法 1 5 1 本课题研究目的和意义 这次课题是通过当今最新的设计思想和方法来进行一次机器人的设计及运动 学分析研究。它不仅使用传统的选择、设计研究和论证方法，还特别地加入了有限 元法来对零件进行分析的内容。使研究的理论水平有一定的提高。机构的整体运动 分析则采用运动学仿真软件进行，取代了传统的物理样机，对最优化设计的目的有 极大的帮助。 通过机器人设计及运动学分析研究，熟悉了机器人设计分析的思路和流程，了 解了我国和世界其他各国机器人的发展水平和现状，认知了当今机械行业的最新前 沿科技，检测了自己在分析理论和解决实际问题上的能力，为日后的研究工作打下 了良好的基础。 1 5 2 本课题研究方法 本课题是设计一台搬运机器人，并用各种c a d c a e 软件完成从建模到运动学分 析、应力分析的全过程。需要全面理解3 d 建模、有限元法和运动学仿真的知识。 3 d 建模方面，主要采用u gn x 2 软件来进行。u g ( u n i g r a g h i c s ) 是美国 u n i g r a g h i c ss o l u t i o n so fe d s 公司的主导产品，是全球应用最普遍的计算机辅助 设计制造工程( c a d c a m c a e ) 一体化软件系统之一，在全球拥有众多用户，广 泛应用于汽车、飞机、机械、电器、化工、电器等各个行业的产品设计、制造与分 析，甚至检验和产品数据管理。而机器人有结构复杂，构件繁多的特点，需要用高 端软件配合进行建模，装配的工作圆 2 4 1 。所以u g 是比较适合的f 1 7 1 。 应力分析，将使用a n s y s7 0 软件。a n s y s 是融合结构、热、流体、电磁、声 学与一体，以有限单元分折为基础的大型通用c a e 软件。它由总部位于美国宾夕法 尼亚州匹兹堡的a n s y s 公司开发。a n s y s 公司于1 9 7 0 年由j o h ns w a n s o n 博士创建。 其产品可广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电 子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众多工业领域和科学研究。a n s y s 公司自成立以来，不断吸收新的计算方法和计算机技术，领导着世界有限元技术的 发展。同时，该软件也是世界上第一个通过i s 0 9 0 0 0 认可的有限元分析软件，能够 在微型计算机和巨型计算机上运行。a n s y s 具有3 方面的优点：强大面广泛的分 析功能，可广泛应用于求解结构、热、流体、电磁、声学等多物理场及多场耦合的 线性、非线性问题。一体化的处理技术，主要包括几何模型的建立，自动网格的 划分、求解、后处理、优化设计等许多功能及使用工具。丰富的产品系列和完善 第1 0 页 r r 南京理工大学工程硕士学位论文b y 一6 机器人腕部结构设计与分析 的开发体系。不同的产品配套可应用于不同的工业领域圆圈。鉴于& ! 、i s y s 十分强 大的功能和在有限元方面的地位，使用a n s y s 会是一个明智的选择i 懈。 第l l 页 南京理工大学工程硕十学位论文b y - 6 机器人腕部结构设计与分析 2b y - 6 机器人结构与运动分析 2 1 机器人运动学概述 本课题设计的b y - 6 机器人性能参数详见表2 1 ，机构如图2 i 所示。 表2 1 机器人的性能参数 操作模式人工示教 自由度 6 许用载荷4 k g 重复定位精度 0 0 3 r a m s 轴 1 6 0 。 l 轴 + 9 0 0 一8 5 0 运动范围u 轴 。1 7 5 0 一5 5 0 r 轴 1 7 0 0 b 轴 1 2 0 0 t 轴 3 6 0 。 s 轴 3 4 9 r a d s ，2 0 0 0 f s l 轴 2 6 2 r a d s ，1 5 0 0 | s 最高速度u 轴 3 3 2 r a d s ，1 9 0 0 | s r 轴5 。2 4 r a d s ，3 0 0 0 | s b 轴5 2 4 r a d s ，3 0 0 0 f s t 轴1 3 3 r a d s ，4 2 0 0 | s r 轴5 3 9 n m 许用扭矩b 轴5 3 9 n m t 轴 2 9 4 n m 机器人运动学就是研究手臂运动的几何关系。机器人操作臂可以看成一个开式 运动链，它由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成。开链的一端固定在基座上， 另一端是自由的，安装着工具( 或称末端执行器) ，用以操作物体，完成各种作业。 关节由驱动器驱动，关节决定两相邻连杆副之间的连接关系，也称为运动副。运动 副分两类：高副和低副。两连杆之间相对运动时若是面接触，称为低副机构；若是 线接触或点接触，则称为高副机构。关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪达到 所需的位姿。在轨迹规划时，我们最需要的是末端执行器相对于固定参考系的空间 描述。 第1 2 页 南京理工大学丁程硕十学位论文 b y _ 6 机器人腕部结掏设计与分析 图2 1 机器人机构图 为了研究操作臂各连杆之间的位移关系，每个连杆上固定一个坐标系，然后描 述这些坐标系之间的关系。通用的方法是用齐次变换来描述各个连杆相对于固定参 考系的空间几何关系，用一4 行4 列的齐次变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系， 从而导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的等价齐次变换矩阵，建立机器人的运 动学方程。 机器人运动学包括运动学正解和运动学反解两部分，它研究的是手臂各连杆间 的位移关系、速度关系、加速度关系。本课题只讨论位移关系。为了研究操作臂各 连杆之间的位移关系，可在连赶上固接一个坐标系，然后描述这些坐标系之间的关 系。d e n a v i t 和h a r t e n b e r g 提出一种通用方法，用一个4x4 奇次变换矩阵描述相 邻两连杆的空间关系，从而推导出“手爪坐标系”相对于“参考坐标系”的等价奇 次变换矩阵。 第1 3 页 南京理工大学工程硕士学位论文 吖书机器人腕部结构设计与分折 2 2 连杆坐标系设定 图2 2 机器人连杆参数描述 为了确定机器人个连杆之间相对运动关系，在各连赶上分别固接一个坐标系。 与基座固接的坐标系为 0 ，与连杆i 固接的坐标系记为f i 。 2 2 1 中间连杆 坐标系f i - l 的z 轴z i i 与关节轴i - i 共线，指向任意。坐标系 i - i ) 的z 轴 与连杆i i 的公垂线重合，指向由关节i - i 到关节i ，当a 。= 0 时，取y t - l - - - * - z 。xz 。 坐标系 i l 的y 轴y 。按右手法则规定，即y j - i = z 。xx 。坐标系 i 一1 的 原点0 ，。取在x 。和z 。的交点上，当z 。与z i - 1 相交时，原点取在两轴交点上，当z 。 和z 。平形时，原点取在使d i _ 0 的地方“1 。 2 2 2 首末连杆 基坐标系 0 与基座固接，固定不动。基坐标系原则上可以任意规定，为了简 单起见，总是规定，当第一关节变量为零时， 0 与 1 重合。末端连杆坐标系的规 定与基坐标系相似。对于旋转关节n ，取使得当0 。= o 时，墨与k 重合， n 的原 点0 ：选在d 。= 0 的地方；对于移动关节n n 的设定使e 。= 0 ，且当d n = o ，与k 。重 第1 4 页 南京理工大学工程硕士学位论史 b 1 - 6 机器人腕部结构设计与分析 ic bj 谚0 口h l 节糯乏鬈乏嚣翟1l 汜。， f000 1 l 第1 5 页 南京理t 大学工程硕十学位论文硝- 6 机器人腕部结构设计与分折 2 4 机器人运动学正解方程 该机器人是6 关节式的机器人，6 个关节都是转动关节。关节l 的轴线为铅直 方向，其余关节都为水平方向。各连杆坐标系如图2 3 所示，相应的连杆参数列于 表2 2 中。 图2 3a l 0 各连杆坐标系 表2 2b y 一6 机器人连杆参数 关节变量范连杆参数 l q - lq 1吐只 围值m 1 oo 嘎q ( 0 ) ( 一1 7 0 ，1 7 0 ) a i = 1 5 0 2 口i - 9 0 o 岛( 9 0 ) ( - 9 0 ，1 5 5 ) a 2 = 5 7 0 3 口2 o o 岛( 0 ) ( 一7 0 ，9 0 ) a 3 = 1 3 0 第1 6 页 南京理工大学t 程顿士学位论文b y - 6 机器人腕部结构设计与分析 根据公式( 2 1 ) 和表2 1 所列的连杆参数可以算出各个连杆变换矩阵： ，= 蓍 ? * 弘医 一 0 q 0 01 0 0 一s 2 0 01 一c 2 0 00 - s 3 0 白 1 00 00 一j 4 0 一c 4 七 誊 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第1 7 页 4 q - 9 0 也 以( 0 ) ( - 1 8 0 ，1 8 0 ) 4 - - 4 5 0 5 0 9 00 岛( 0 ) ( - 4 5 ，2 2 5 ) 以= 6 4 0 609 0 比限( 0 ) ( - 3 6 0 ，3 6 0 ) 以= 9 5 吒丸o 们_川_刮q o o。，o o 1j 们叫u o吨o 0 d o o o l o o o 吨。白。 飞o o q o 心o -。，l 南京理工大学工程硕士学位论文 求解中间结果： “：丁= ：r 罗芗= c 一s 4 0 3 rl oo1 6 1 = i - j c o 【0 0 0 c 4 c 5 c 6 一s 4 s 6 s 5 c 6 一毛 o 一吒 o c i c 2 s 3 。c i s 2 c 3 。s t c 2 5 3 。s l s 2 c 3 $ 2 s 3 c 2 c 3 o 售 一c ，覃6 c 6 暑5 s 6 o b 1 ，一6 机器人腕部结构设计与分析 一c ， 气 一s 5 0 一屯 一c 4