毕业论文-Motoman机器人的动态分析

Motoman 机器人的动态分析 摘 要 机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一项综合性的有实用价值的研究课题。本文以日本安川公司生产的 MOTOMAN HP-6 机器人为背景，对其进行动态分析及仿真，主要是对其运动学和动力学进行分析研究。 机器人的运动学分析是机器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。文中以MOTOMAN HP6机械手为对象,基于D-H方法建立其位姿方程,运用ADAMS软件对其进行运动学仿真,得到机器人不同状态下的位移、速度和加速度的实时分析结果,对关节型机器人的运动性能研究具有积极意义。从 Motoman 机器人动力学参数设计角度出发,利用动力学仿真分析软件ADAMS,建立了机器人的动力学仿真模型,并提出了无路径的搜索方法,在全部的机器人工作空间内进行仿真搜索,最终求取机器人关节驱动力矩的极限值。该方法提高了机器人系统的设计精度,解决了本体设计中参数无法精确确定的难题。这为下一步研制Motoman机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他工业机器人的研究提供了参考。 关键词： 六自由度Motoman机器人，运动学，动力学，ADAMS IAbstract The simulation of robot is an important aspect among the research of robotic technology involving robotic mechanism, kinology,model formulation,three-dimensional simulation and control of motion,which is a research field with synthetic and paractical use. In this paper, the research focuses on the dynamic analysis and simulation of MOTOMAN HP-6 robot which produced from Japan Yasukawa company, and the kinematical and dynamic analysis were studied. Robots kinematical analysis is the analysis of the position, velocity and acceleration of robot terminal manipulator. In the article, the pose equation of MOTOMAN robot based on the D-H method was established; the kinematics simulation was carried on by using the ADAMS software. The results of real-time analysis of speed and acceleration under different condition displacement were obtained, and it is of positive significance to the study of joint robots movement performance. Robot design parameters from the point of view, the use of dynamic simulation analysis software ADAMS, a Motoman robot dynamics simulation model and a path of non-search methods was proposed, The means enhances the accuracy of robot system design, resolves the problem which the design parameters can not be accurately determined. It provides a theoretical guidance to the manufacture of the physical prototype of MOTOMAN robot, and also provides a reference to the research of other industrial robot. Keywords: 6-DOF Motoman robots， kinematics， dynamics， ADAMS IIMotoman 机器人的动态分析 目录 第一章 绪论 .1 1.1 课题背景 .1 1.2 机器人的运动控制 .2 1.3 机器人运动学、动力学仿真 .3 1.3.1 机器人运动学、动力学仿真 .3 1.3.2 机械、控制仿真软件研发现状 .3 1.4 利用ADAMS 对机器人进行动态分析的应用领域及国内外发展现状 .4 1.4.1 利用ADAMS 进行动态分析的应用领域 .4 1.4.2 利用ADAMS对机器人进行动态分析的国内外发展现状 .6 1.5 本文研究内容及拟解决的主要问题 .6 1.6 本文研究意义 .7 第二章 MOTOMAN 机器人的机构和三维造型 .8 2.1 Motoman机器人的机构组成及自由度 .8 2.1.1 执行机构 .8 2.1.2 驱动系统 .9 2.1.3 控制系统 .9 2.2 Motoman机器人的基本规格 .10 2.3 MOTOMAN机器人的实体建模 . 11 2.3.1 MOTOMAN机器人的零部件实体建模 .11 2.3.2 利用UG建立装配模型 .11 2.4 总结 .12 第三章 基于ADAMS 的MOTOMAN 机器人运动学模拟及仿真 .14 3.1 引言 .14 3.2 MOTOMAN机器人的ADAMS 模型 .14 3.2.1 启动ADAMS/VIEW . 14 3.2.2 设置工作栅格 . 15 3.2.3 几何体类型 . 17 3.2.4 几何建模工具 . 17 3.2.5 约束机构 . 18 3.2.6 MOTOMAN机器人模型的导入 . 20 3.3 MOTOMAN机器人的D-H 描述 .21 3.4 MOTOMAN机器人位姿方程的正解 .23 3.5 MOTOMAN机器人运动学方程的逆解 .25 3.5.1 nA 矩阵的逆矩阵公式 . 25 3.5.2 MOTOMAN机器人运动学方程的逆解公式 . 25 3.6 ADAMS下的运动学仿真 .28 3.6.1 仿真环境与流程简介 . 28 3.6.2 MOTOMAN机器人运动曲线的仿真 . 29 3.7 总结 .33 IIIMotoman 机器人的动态分析 IV第四章 基于ADAMS 的MOTOMAN 机器人动力学模拟及仿真 .34 4.1 ADAMS动力学仿真求解过程 .34 4.2 动力学分析 .35 4.2.1 MOTOMAN机器人机构模型主要参数 . 35 4.2.2 利用Marker 建立计算机仿真模型 . 36 4.2.3 仿真优化步骤 . 36 4.3 ADAMS仿真结果 .37 4.4 仿真结果分析 .37 4.5 总结 .37 第五章 结论和展望 .38 5.1 结论 .38 5.2 技术经济分析报告 .39 5.2.1 技术可行性分析 . 39 5.2.2 经济优越性分析 . 40 参考文献 .41 致谢 .42 声明 .43 Motoman 机器人的动态分析 第一章 绪论 1.1 课题背景 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，机器人正向着高速、高精度、轻质、重载、高可靠性、高灵活性等方向发展。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人运动控制，是一项综合性的有实用价值的研究课题。 机械系统动力学仿真分析技术首次出现于 1980 年前后,作为一门新兴技术,它最初被应用在汽车、铁路等领域中。Woongsang等以提高汽车的稳定性和控制能力为目标,进行汽车四轮定位系统研究。由于此前研究都是采用简化模型,使用二维结构或以自行车代替,测得的数据很不可靠。后来随着分析手段的提高,动力学仿真分析技术开始大量地应用于空间科学、石油、机器人等领域,NOEL通过在动力学分析软件中建立、分析和优化模型,得到了飞机起落架的动态性能。Arenz等针对goliath移动机器人模型,利用ADAMS、ANSYS和MATLAB 三者联合进行了动力学分析,并针对 goliath 移动机器人控制算法进行研究,然后在动力学仿真软件中加以检验。虽然目前动力学仿真分析技术的应用较为广泛,但在关节型机器人的机构分析中的应用却很少。 由于仿真系统和实验目的的不同,应用动 力学仿真技术的方法也有所区别。从机械系统这一角度出发,为研究系统的性能或改善系统结构,单独利用 ADAMS软件即可以解决大部分问题。 在机器人的研制、设计和试验过程中，理想的仿真应满足：建模简单快速、模型逼真、三维动画参数的调整、机械仿真和控制系统相结合，使得机械系统和控制系统一统仿真，实现虚拟样机。常见的动画仿真多采用 Turbo C, Visual Basic, Open GL,Fortran 等软件工具实现， 算法复杂，编程工作量大。另外，机器人是多自由度、多连杆的空间机构，其运动学和动力学的计算非常重要且十分复杂，包括正解和反解的计算，常规的算法大多采用牛顿欧拉方程或者拉格朗日方程，工作量大，且容易出错。我们希望在设计过程中能尽早地发现问题，及时优化，这一步的工作通常是在物理样机完成测试后进行的，从而造成效率低下和不必要的浪费。 本研究主要利用ADAMS的通用建模功能,结合关节型机器人(120点焊机器人)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1Motoman 机器人的动态分析 加速度、转动力矩等作为仿真目标,提出仿真求解的方法无路径搜索方法。 1.2机器人的运动控制 一个工业机器人系统通常分为机构本体和控制器两大部分。构成机器人控制系统的要素主要有（1）硬件系统及操作控制软件；（2）输入输出设备；（3）驱动器（电机及相应的减速齿轮）；（4）传感器系统。它们之间的关系如图1-1所示： 图1-1 机器人系统框图 关于运动控制，用编码器检测出电机的转角或关节角，并将力传感器检测出的手爪的力送到运算部分的CPU中。然后按控制规则算出的指令值输送到末级前置放大器，生成电机转矩。末级前置放大器的型式有位置控制型、速度控制型、力矩控制型。电机转角、回转速度、生成力矩则依据末级放大器本身的机能跟踪指令值。机械手的位置控制通常为使用逆运动学和关节角控制，有时使用的控制方法注重范力学。其控制如图1-2所示。 图1-2 使用逆动力学和关节角控制的位置控制 使用逆运动学和关节角控制的位置控制规律，在使用作为一种PID控制的P-D控制时可表示为： &)( qkqqkDdp=)(1ddrfq=1.3 机器人运动学、动力学仿真 1.3.1 机器人运动学、动力学仿真 早在二十世纪六十年代，在一些文献中开始对机械系统进行运动动力学仿2Motoman 机器人的动态分析 真。这时的仿真程序通常是研究者本人用非结构化的语言如：Basic,Fortran等的早期版本编写的，此类程序的编写量巨大，系统的扩展性、可移植性极差。这期间没有成熟的商用仿真软件。上个世纪七八十年代，随着软件业的发展以及市场的极大需求，大量的工程分析商用计算软件开始出现，如ADINA, MARK. SAP5等，这时，有一些研究者开始利用通用软件进行动力学分析。Orlando和Berenyil411利用机械系统动力学仿真软件ADAMS的早期版本，对一个六自由度工业机器人进行了连续路径的动力学综合。他们只是对刚体机器人进行了三维空间运动学进行了仿真，对刚体机器人的各动力学参数没有涉及，更没有柔性机构的相关内容。 进入到九十年代， Z.Yang和J.P.Sadler采用有限元软件ANSYS的瞬态动力学分析功能对弹性四杆机构和平面三杆机构机器人进行了仿真。这时单纯用ADAMS建模与分析则只能获得一部分动力学数据，无法得到柔性体的变形、应力、应变等动力学数据。 1.3.2 机械、控制仿真软件研发现状 现在，成熟的机器人动力学仿真软件很少见，机器人运动学、动力学控制系统协同仿真的软件还没有。对机构的动力学进行仿真的软件主要有：NUBEMM（德），SYM（南），CAMS（保），AUTOLEV（美），DYNOCOMBS（美），SPACAR（荷），DISCOS（美），DADS（美），NEWEUL（德），ME DYNA（德），AUTODYN（比），SIMPACK（ 德），COMPAMM（ 西），DYMAC（ 美），ME SAVERDE（德），ADAMS（美），PLEXUS（法），DAMS（美），EASY5（美国）等。 众多的多体动力学软件都相继退出了市场，而ADAMS仍然在市场上有上佳表现，并且都有所发展。下面对ADAMS软件的发展和其核心技术进行简单描述。 美国MSC公司开发的ADAMS （Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件，是世界上最具权威性的，使用范围最广的机械系统动力学分析软件。用户使用ADAMS软件，可以自动生成包括机电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，能为用户提供从产品概念设计、方案论证、详细设计、到产品方案修改、优化、试验规划甚至故障诊断各阶段、全方位、高精度的仿真计算分析结果，从而达到缩短产品开发周期、降低开发成本、提高产品质量及竞争力的目的。由于ADAMS具有通用、精确的仿真功能，方便、友好的用户界面和强大的图形动画显示能力，所以该软件己在全世界数以千计的著名大公司中得到成功的应用。 在产品开发过程中，工程师通过应用ADAMS软件会收到明显效果： 3Motoman 机器人的动态分析 分析时间由数月减少为数日； 降低工程制造和测试费用。 在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案。 在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量。 当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真。 缩短产品的开发周期。 2002年MDI公司被MSC公司兼并，同时发布了ADAMS12. 0版本。新的版本具有下列新的特性： 增强了柔性体高速缓存的控制，提供了阻尼表达式的界面支持，应力、应变的可视化、以及施加在柔性体上的模态力可视化（颜色等高线）； 增强了载荷输出文件的选项，如FEA、物理测试、疲劳等文件格式，利用sit格式，可以对拉格朗日乘子进行误差控制，以获得更高的积分精度； 在积分器中新增修正的校正器；利用Runge-Kuta-Fehlberg 45积分器，可提高早期设计阶段的性能，再使用阻尼子程序控制柔性体的阻尼比； 在模态或频率的基础上，使用内部变量FXMODE和FXFREQ创建表达式，可屏蔽某一指定频率以上的所有模式的动态响应。 1.4 利用ADAMS对机器人进行动态分析的应用领域及国内外发展现状 1.4.1 利用 ADAMS 进行动态分析的应用领域 1.变形移动机器人的仿真模型 在设计变形移动机器人的过程中,由于考虑到机器人移动过程中各个部件对机器人运动的影响和运动环境的限制,不能单纯考虑静态的设计,因此在设计中我们应用 UG 和 ADAMS 软件仿真机器人在整个工作空间内作连续运动的动力学分析,进行交互式设计用来修正设计参数,以便重构模拟样机模型。 该机器人最基本的移动方式是卧式行走,同时可以折叠起来用两条履带行走、半站立姿势行走、可以站立行走;当机器人躯体全部伸展时,他比一般的移动机器人具有更强的跨越壕沟的能力、具有独特的翻墙和越障能力。它还可以根据环境状况匍匐前进, 也可以蠕动前进。在对移动机器人的驱动装置的研究中,提出了独立驱动协调控制转弯和运动的方案,采用 12 个伺服电动机和驱动器对各个运动关节和履带运动进行分别驱动。各运动关节经过分析和实验可以分别进行自己的运动方式。 4Motoman 机器人的动态分析 通过对机器人驱动关键点的动力学分析,得到的仿真结果可对机器人机构的动力学特性进行直观检验。从而对机器人结构的进一步优化设计提出修正意见。同时, 通过对变形移动机器人的动力学分析,为控制机器人的运动动作和路径规划提供数据参数。更有效地保证了机器人在该运动状态下，优良精确的动态特性和静态特性。这种分析方法的进一步完善对机器人的设计有很大的帮助。 2.内窥镜操作机器人仿真模型 在微创伤胸腹腔手术过程中内窥镜操作机器人代替内窥镜操作医生来对内窥镜进行操作，其优点是降低了医生的劳动强度，增强图像输出的稳定性，提高了手术的安全性。将机器人技术应用到微创伤外科手术中，可使其手术更安全、准确和便利。 对内窥镜操作机器人进行运动学分析，是进行机器人结构设计、控制、路径规划的前提条件。针对哈尔滨工业大学机器人研究所设计的内窥镜操作机器人进行运动学分析，给出了 7 自由度机器人位置的解析逆解及雅可比矩阵。最后利用 ADAMS 仿真软件平台对机器人运动学进行分析，验证机器人是否满足临床微创外科手术的需要。 为了使机器人具有较好的灵活度，内窥镜操作机器人设计为具有冗余自由度的7 自由度手臂。如图1-2所示。 图 1-3 内窥镜操作机器人三维实体造型 机器人运动学求解对于机械本体设计、路 径规划和控制都具有重要意义。根据 7 自由度内窥镜操作机器人结构和任务特点，给出了机器人位置逆运动学的逆解解析，并采用分离速度的方法计算出机器人的雅可比矩阵。最后采用ADAMS 软件对内窥镜插入运动和内窥镜在切入点约束下运动两种动作进行仿真验证，并验证雅可比矩阵的正确性和可行性。 1.4.2 利用 ADAMS 对机器人进行动态分析的国内外发展现状 系统仿真技术是随着微电子分析器在1946年的诞生而迅速发展起来的新兴综合性学科。以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域相关专业知识和技术为基础，以计算机系统和各种相关的器件为工具，利用系统模型对实际存在的5Motoman 机器人的动态分析 或是假想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。随着系统仿真技术理论方法和应用技术研究的不断深入，计算机技术的突飞猛进，以及系统仿真本身具有的安全性、经济性等特点，应用计算机对系统进行仿真在科学技术领域中发挥着越来超重要的作用。需要特别指出的是，系统仿真使用系统模型代替实际系统来进行系统性能的分析和研究，因此使仿真更加具有意义。近些年来，随着计算机技术、网络技术、信号处理、通信技术、自动控制技术等高新技术的迅猛发展，系统仿真技术的研究力度也在不断加大，发展速度不断加快，应用领域不断扩大系统仿真技术的应用已经从早期的航空航天、武器制造和发电部门，扩展到今天的军事、通信、控制、机械、经济、社会、交通与生态研究等众多领域，而且已经渗透到系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段。 从计算机系统仿真技术的发展历程来看，它又经历了五个阶段： 20世纪40年代的模拟计算机仿真 20世纪50年代的数值计算机仿真 20世纪60年代的仿真语言的出现 20世纪80年代的面向对象的仿真技术； 20世纪90年代的虚拟现实仿真技术和可视化的建模与仿真。 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，近20年来，国内外出现了许多专门用于计算机仿真的语言及软件工具，其中ADAMS就是其中之一。 1.5 本文研究内容及拟解决的主要问题 本课题主要用ADAMS对Motoman机器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Motoman机器人的工作过程轨迹、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。 1.研究的基本内容如下： 1) 利用多刚体动力学分析软件 ADAMS,对 Motoman 机器人进行建模,并提出有路径的动力学仿真分析方法.即在机器人工组空间内选取特定路径,分别进行机器人运动学和动力学仿真,最终得到机器人各关节的动力学参数。 2) 深入学习应用 ADAMS 软件建 立动力学模型的方法，并且建立与实际Motoman机器人系统结构相对应的动力学模型，研究Motoman机器人的运动轨迹，分析机器人工作过程的运动速度、加速度和可达空间。 3) 分析仿真结果，并进行仿真结果校核，提出优化设计方案。 2.拟解决的主要问题: 6Motoman 机器人的动态分析 1.深入了解Motoman机器人的基本机械结构，对其有初步的建立模型的宏观认识和学习，为利用ADAMS软件建立模型奠定一定基础。 2.熟悉Motoman机器人位姿及运动轨迹，已知各杆的结构参数和关节变量，求出末端操作器的空间位置和姿态。 3.对机器人运动位姿以及运动曲线进行仿真。 4.对仿真结果进行分析和校核，找出存在的问题和缺憾。 1.6 本文研究意义 针对Motoman机器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具体问题,利用ADAMS软件对其进行动态仿真分析,模拟了Motoman机器人在实际空间中运动位置变化的全过程,得到了 Motoman 机器人在运动中的动力学和运动学的模拟仿真.实现了缩短设计周期、降低设计成本、在物理样机产生之前预先评估设计作用和功效。为在实际操作中,防止在生产出的物理样机无法达到预期的要求提供了依据,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。也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数,特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系。机器人的运动学分析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,直接涉及到离线编程、轨迹规划等问题。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 ADAMS 对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,得到了位移、速度和加速度的曲线。 本文Motoman机器人将利用ADAMS软件对其进行动态分析，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，初步计划是将机器人利用到实际焊接中，利用机器人进行工业的焊接，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。作为一种工业机器人，其应用与发展必将给人类带来巨大的经济效益和社会效益。 7Motoman 机器人的动态分析 第二章 MOTOMAN 机器人的机构和三维造型 2.1 Motoman机器人的机构组成及自由度 工业机器人是多种多样的。这不仅反映在结构造型上，而且表现在它们的控制方式和工作性能上。但从实质上来说，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。Motoman机器人作为工业机器人中的一种，它的组成同样遵循上述组成。 Motoman机器人的机构组成是一个 空间开式链。运动链是一些构件和运动副的组合。该组合是一个或多个空间封闭形的运动链，如果至少有一个构件上只有一个运动副，这种空间运动链称为空间开式链。 运动副是两个构件既保持接触又相对运动的几何连接。由于接触的几何形状不同，两构件间就具有不同的相对运动。一个构件相对另一个构件具有独立运动的个数就是运动副的自由度数。在空间其运动副的自由度 为 。 f 60 fMotoman机器人机构中运动副按其自由度等于1、2、3、4、5、6而分别称I、II、III、IV、V、VI类副。常见的运动副是I类副。主要是转动副和移动副。 对于Motoman机器人而言，空间开式链的自由度F是所含各运动副自由度 的总和。设运动链中含有I、II、III、IV、V、VI类副的个数分别为 、 、 、 、 ，则开式运动链的自由度公式为： f1P2P3P4P5P6P65432165432 PPPPPPfF +=显然，空间开式运动链的自由度与原动件数相等，才构成机器人的结构。也就是说，机器人机构的原动件数必须等于空间开式链的自由度数。 2.1.1 执行机构 执行机构也称操作机。它由一系列连杆和关节或者其他形式的运动副组成，从而可以实现各个方向的运动。就结构而言，它主要包括机座、立柱、手臂、腕关节和手部等部件。 1. 机座 机座是Motoman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。它起到支撑和协调机器人作业的重要作用。 2. 立柱 立柱是Motoman机器人手臂的支撑部分。根据执行机构坐标系的不同，立柱可以在机座上转动，也可以和机座做成一体的。在特殊情况下，立柱也可以通过导8Motoman 机器人的动态分析 杆或者导槽在机座上进行移动，从而增大工作空间。 3. 手臂 手臂是连接Motoman机器人机身、立柱与腕关节、手部之间的纽带。它的运动范围直接影响着Motoman机器人的工作空间。从运动形式来说，有的机器人手臂只作移动（如采用正交坐标系的工业机器人） ，有的只作转动（如Cincinnati,PUMA） ，有的手臂则兼有了移动和转动两种运 动形式（如Motoman机器人）。 4. 腕关节 腕关节是连接Motoman机器人手部与手臂的部件。其功用在于根据需要改变、调整工作部件（手部）的方向、姿态。Motoman机器人的腕关节动作是转动。 5. 手部 手部是Motoman机器人直接与工作对象接触或发生关系的部分。因为Motoman机器人的大量工作是传送工件，所以手部是以夹持装置的形式出现。夹持装置的种类很多，有夹紧式，也有吸附式。Motoman机器人的手部则是利用气动手爪来抓取实物。 2.1.2 驱动系统 Motoman机器人的驱动系统主要是 指驱动执行机构的传动装置。根据动力源的不同，通常可以把驱动装置分为电力的 、液压的和气动的三种。而Motoman机器人所采用的驱动装置是电机驱动，而手部所采用的驱动装置为气动驱动。对Motoman机器人而言，驱动系统中的运动器，如电机、气缸等是与操作机直接相连的。 2.1.3 控制系统 控制系统是Motoman机器人的重要组成部分，它的性能的高低及其通用性的大小，很大程度上取决于控制系统的水平。控制系统的作用是支配执行机构按所需要的顺序，沿规定的位置或轨迹进行运动。 用来控制执行机构运动的指令是操作人员按所需要的运动编制好程序或用其他方式存储在控制系统中。控制系统在记忆了这些指令信息（如动作顺序、空间位置、运动速度、停顿时间、手部的张开与夹紧等）以后，通过驱动系统，使Motoman机器人的执行机构按规定指令进行动作。 2.2 Motoman机器人的基本规格 9Motoman 机器人的动态分析 机构形态 垂直多关节型 自由度 6 可搬质量 6kg 重复定位精度 0.08mm 0170 S轴（回转） L轴（下臂） + ， 0155090 U轴（上臂） + ， 02500175动作范围 0180 R轴（手腕回转） 0225+B轴（手腕摆动） ， 0450360T轴（手腕回转） s0150 S轴 2.62rad/s, s0160 L轴 2.79rad/s, s0170最大速度 U轴 2.97rad/s, s0340R轴 5.93rad/s, s0340B轴 5.93rad/s, s0520T轴 9.08rad/s, )2.1(8.11 mkgfmN R轴 )0.1(8.9 mkgfmN 允许扭矩 B轴 )6.0(9.5 mkgfmN T轴 224.0 mkg R轴 217.0 mkg允许惯性矩 B轴 206.0 mkg（ ） 4/2GD T轴 kg130本体质量 00温度 至 C045 湿度 20至80%RH（不结露） 2/9.4 sm安装环境 振动加速度 以下（0.5G） 避免易燃、腐蚀性气体、液体。 其他 勿溅水、油、粉尘等。 勿接近电器噪音源（等离子） 电源容量 1.5kVA 10Motoman 机器人的动态分析 2.3 MOTOMAN机器人的实体建模 构造虚拟样机必须进行机械零部件的三维实体造型。三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿真和分析十分重要，必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系，在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能达到仿真时对可信度的要求。 六自由度机械手是一个较复杂的机械结构，按照是否存在相对运动将机械手划分为:底部转台、大臂、中臂、小臂和手腕等共5个运动部件。每个运动部件由一个小的机械系统组成，主要有轴、轴承、轴套、臂、电机、减速器等装置，首先建立基座模型，在UG4.0系统下打开新文件，选择mm单位，起一文件名，点OK进入UG界面，点击 进入零部件建模界面，点 进行草绘。 2.3.1 MOTOMAN机器人的零部件实体建模 对于刚性物体用ADAMS 建立运动学模型时，不必过分追求构件几何形体的细节部分是否同实际完全一致，可以简化模型。因为从程序的求解原理来看，只要仿真构件的几何形体质量、质心位置，惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果便是等价的。也就是说，只需保证各个运动构件之间的相对尺寸正确就可以了。这样既可获得较满意的运动学仿真结果，又可节约大量的几何建模时间。在本机构中，底座、底部转台、大臂、中臂、小臂、手腕和轴的实体模型已经应用UG4.0绘制完成。由于本文重点不在于此，所以不再将各个部件的零件图一一展示。 2.3.2 利用UG建立装配模型 经过零部件的实体建模完成，下一步就是对这些零件进行装配。在UG软件中，任何一个.prt文件都既可以作为零件文件，也可以作为装配文件，通常将.prt文件称为部件。当新建零件文件时，要选择下拉式菜单Application中的Modeling选项;新建装配文件时，要选择Application中的Assemblies选项。装配建模的具体过程如下: 1，选择下拉式菜单Application中的Assemblies选项后，在图形区域的下方就会出现装配工具条 2, 点击Add Existing Component图标，向新打开的装配文件中添加第一个已创建的零件模型； 3，重复第二步，向装配文件中添加第二个零件模型； 11Motoman 机器人的动态分析 4，点击Reposition Component图标，在进行装配操作前，先按正确的装配位置给第二个零件重新定位并隐藏不需要显示的曲线、草图、对称轴和坐标系等； 5，点击Mate Component图标，选择正确的装配类型进行装配； 6，重复2，3，4，5步骤，直至将所有的零件装配完全。 MOTOMAN HP-6机器人装配如下图2-1所示： 图2-1 MOTOMAN机器人三维实体造型 2.4 总结 本章节主要是介绍MOTOMAN机器人的结构和机构组成以及自由度的计算方法，以及各个零部件的基本规格，通过了解MOTOMAN机器人各个部件的动作范围、最大速度、允许扭矩以及安装环境等，进一步加深了本课题的研究意义，为后文12Motoman 机器人的动态分析 MOTOMAN机器人的动态仿真的可信度以及正确性奠定了坚实的基础。 13Motoman 机器人的动态分析 第三章 基于ADAMS的MOTOMAN机器人运动学模拟及仿真 3.1 引言 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。也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数，特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系。机器人的运动学分析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，直接涉及到离线编程、轨迹规划等问题。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ADAMS对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，得到了位移、速度和加速度的曲线。 3.2 MOTOMAN机器人的ADAMS模型 3.2.1 启动ADAMS/VIEW 使用桌面的快捷键ADAMS/View，或在Windows XP的Start菜单中，选择Program子菜单，再选择ADAMS 12.0 子菜单，然后选择A view项，最后选择ADAMS-View 程序项，启动ADAMS/View 程序。启动 ADAMS/View 程序后，首先出现欢迎对话框，如图3-1所示。在欢迎对话框中有4种相同的启动方式供用户选择： （1）产生新的样机模型数据库，选择Create a new m