毕业论文-7自由度工业机器人运动学仿真及分析

七自由度工业机器人运动学分析及仿真 摘 要 一般而言，多关节通用机器人的动力学分析可归属于具有理想约束的完整系统和多刚体动力学的范畴，对机器人做动力学分析的主要目的有两个:其一，是用于优化控制，通过引入基于机器人动力学特性的控制规律，改善机器人控制的动态和静态品质，实现更精细的轨迹跟踪;其二，是用于优化结构，一个合理设计的机器人系统应该具有尽可能轻的非线性祸合性和采用恰如其分的驱动力。本文的任务是完成上述目标的基础性部分，即对一台 7 自由度机器人进行运动学和动力学计算，并进行了相应的仿真分析。 所完成的主要工作包括，建立了该机器人的串联杆运动坐标体系，及其等效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，并导出了其简化结构多刚体系统的第二类动力学方程组。 在此基础上，还运用虚拟样机技术对该机器人系统做了考虑重力影响的运动学仿真，即:先借助 UG 的参数化建模功能建立了该 7 自由度机器人的虚拟三维实体模型，并将该虚拟机器人导入 ADAMS 平台，再参照机器人实际的几何参数、物理特性以及约束条件，建立了该机器人的运动学仿真模型，并在有重力作用下，进行空间轨迹跟踪的仿真，获取了一系列的重要结果，为优化机器人结构和提升控制品质的后续研究工作提供有价值的数据信息。 关键词 :机器人运动学分析 ADAMS 仿真 II七自由度工业机器人运动学分析及仿真 Abstract In this paper ，the motion reference coordinate syst em of serial 7-link manipulator and the simplified-structure of the multi-rigid body dynamics model have been established . After kinematic and dynamic analysis， it the kinematic equation is Presented . Generally speaking ， the dynamic analysis of General System Structure of Multi-joint Robot belongs to the category of holonomic system on the Condition of ideal constraint and multi-rigid body system dynamics .The main subjects of study on robots dynamics shown as two : The first is to optimal control， that is to say， to improve the dynamic and static quality of robot control and to implement effieiently trajectory traeking based on the control logic of robot dynamic characteristics : the second is structure optimization ,are reasonable designed robot system should have as light as possible nonlinear and coupling , adopt the most appropriate driving force . This paper deals with the basie part of the above goals . That is to carry out the kinematicd anf dynamic caleulation of the General System Strueture of 7-DOF Robot by our lab ,and make corresponding simulation analysis. The dynamic simulation of the robot system is also carried out by utilizing ADAMS virtual prototype technology . taking the influence of gravity load account : Firsty ，based on the 3D parametric modeling of Pro/E，the 3D entity model of the 7-DOF robot is constructed . then the virtual prototype machine is putted into ADAMS . Practical geometric parameters ，Physical charaeteristics and rest riction relations are adopted to establish its kinematic simulated model .Moreover , under the gravity load , it takes the sky trajectory tracking simulation , which will be great significance to the further research on structure optimization and improving control quality of the robot. KEYWORDS: Robot Dynamic Analysis ADAMS Simulation III七自由度工业机器人运动学分析及仿真 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 选题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 工业机器人仿真技术的发展概况 . 3 1.3.1 工业机器人仿真技术在国外的发展概况 .3 1.3.2 工业机器人仿真技术在国内的发展概况 .6 1.3.3 计算机仿真技术在工业机器人应用的优势： .8 1.4 工业机器人运动学系统研究现状 . 8 1.5 本文研究的主要内容和工作 . 9 第二章 机器人本体结构设计 . 10 2.1 机器人机械设计的特点 . 10 2.2 机械结构分析 . 10 2.3 技术参数图 . 13 2.4 七自由度工业机器人技术指标参数表 . 14 2.5 七自由度工业机器人的各关节示意图 . 15 2.6 电机和减速器的计算与选型 . 16 2.6.1 U回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .16 2.6.2 E回转关节交流伺服电机和减速器的选择 .18 2.7 本章小结 . 21 第三章 机器人的运动学概述 . 22 3.1 概述 . 22 3.2 机器人正运动学 . 24 3.2.1 机器人空间描述和变换矩阵.24 3.2.2 机器人正运动学求解 .25 3.3 本章小结 . 26 第四章 机器人轨迹规划 . 27 4.1 机器人轨迹规划方法 . 27 4.1.1 关节空间法 .27 IV七自由度工业机器人运动学分析及仿真 4.1.2 笛卡儿空间法 .28 4.2 本章小结 . 28 第五章 七自由度工业机器人的运动学仿真分析 . 29 5.1 ADAMS功能介绍 . 29 5.1.1 主要工作模块 .29 5.2 ADAMS建模与仿真步骤 . 30 5.3 ADAM/VIEW模块 . 30 5.4 ADAMSLVIEW模块立仿真模型的步骤 . 31 5.4.1 几何建模 .31 5.4.2 将三维模型导入到ADAMS环境下生成虚拟样机 .32 5.4.3 对样机施加约束和进行初始化参数设置 .34 5.5 仿真结果 . 34 5.6 本章小结 .40 第六章 结论 . 41 参考文献 . 42 致 谢 . 44 声 明 . 45 V七自由度工业机器人运动学分析及仿真 第一章 绪 论 1.1 选题背景 近年来，随着国内汽车工业的快速发展，正如众多汽车工业发达国家所走过的道路一样，工业机器人，尤其是焊接(弧焊和点焊)机器人，在汽车零部件和整车生产中的应用越来越广泛。国内机器人装备供应商的设计和设备集成能力同样得到了很大的提高，但在工程实践中也凸现了很多问题。 弧焊和点焊机器人在汽车零部件制造中首要保证的是机器人的可达性和节拍，必须在满足机器人在弧焊和点焊生产中工艺姿态的情况下，其运行范围要覆盖工件全部的工艺焊缝或者焊点，而且不能和工装夹具产生干涉。这个条件的满足涉及到机器人、变位机械的选用和工装夹具的合理设计。 作为汽车零部件生产设备的重要指标，节拍是机器人焊接设备设计中的重要指标。时间就是金钱，随着汽车产量的大幅增长，现代汽车工业生产线的节拍计算已经发展到按秒来提高。国内的机器人焊接工程公司在实际工程实践中，对机器人的可达性和节拍的控制往往通过经验和简单的计算来进行，而经验和简单的计算不可能达到精确的量化。工程实施过程中会暴露出问题，再进行修改和调整工作，消耗了大量的时间和人力，甚至影响了某种车型的计划生产时间。这个问题常见于消声器、净化器、底盘、车身等的弧焊和点焊机器人工作站，或生产线的设计和工程实践中。 合理的应用机器人仿真技术，可以有效地解决这个问题。大部分的机器人仿真应用软件系统庞大、操作复杂，国内公司往往缺乏应用实践。但是随着计算机技术水平的日益提高，机器人的仿真技术也在日益成熟1。 通过计算机对实际的机器人系统进行模拟。机器人系统仿真可以通过单机或多台机器人组成的工作站或生产线。仿真可以通过交互式计算机图形技术和机器人学理论等，在计算机中生成机器人的几何图形，并对其进行三维显示，用来确定机器人的本体及工作环境的动态变化过程。通过系统仿真，可以在制造单机与生产线之前模拟出实物，缩短生产工期，可以避免不必要的返工。在使用的软件中，工作站级的仿真软件功能较全，实时性高且真实性强，可以产生近似真实的仿真画面；而微机级仿真软件随实时性和真实性不高，但具有通用性强、使用方便等优点。目前1七自由度工业机器人运动学分析及仿真 机器人系统仿真所存在的主要问题是仿真造型与实际产品之间存在误差，需要进一步的研究解决。 研究机器人机构运动学和动力学的目的就是要建立机器人各运动构件与末端执行器在空间的位置、姿态之间的关系, 建立机器人手臂运动的数学模型, 为控制机器人的运动提供分析的方法和手段, 为仿真研究手臂的运动特性和设计控制器实现预定的功能提供一种高效、方便的方法。在运动学分析过程中, 具有 7 个自由度的机器人系统没有唯一解, 这就意味着机器人可以有无穷多种方法在期望位置为末端执行器定位和定姿。为了使控制器知道具体怎么做, 必须有附加的决策和程序使得机器人能够从无数种方法中选取一种。例如, 采用最优程序来选择最快或最短路径到达目的地。为此计算机必须检验所有的解, 从中找出最快或最短的响应并执行之。这样就增加了计算负担, 耗费很多时间, 因此七自由度机器人在工业中一般不采用。但是, 把机器人安装在一个活动的机座上, 此时，机器人机座相对于传送带或者其它参考坐标系的位置是已知的, 机器人的机座的位置无需再由控制器控制, 这样使机器人拥有冗余自由度, 这种冗余自由度是无须求解的。在进行运动学分析时, 机器人的自由度的个数仍然可以算作是6 个, 因而解是唯一的2。 1.2 研究意义 仿真技术是机器人研究领域中的一个重要部分。随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。通过仿真试验来研究机器人的各种性能和特点，已经是机器人理论研究必备方法之一。同时，仿真试验结果也为制造机器人提供了有效的参考依据。近年来国内外已有许多功能齐全的、商品化的机器人设计和研究仿真软件问世。机器人仿真系统对理论和实践的价值、意义及作用是显而易见的，而且应用及其广泛。 机器人仿真主要应用在两个方面 一是机器人本身的设计和研究，这里机器人本身包括机器人的机械结构以及机器人的控制系统， 它们主要包括机器人的运动学和动力学分析。各种规划和控制方法的研究等。机器人仿真系统可为这些研究提供灵活和方便的研究工具，它的用户主要是从事机器人设计和研究的部门和高等学校。机器人仿真的第二个方面的主要应用是那些以机器人为主体的自动化生产线，它包括机器人工作站的设计、机器人的选型、离线编程和碰撞检测等。机器人可为此提供既经济又安全的设计和试验的手段，它的用户主要是那些使用机器人的产业2七自由度工业机器人运动学分析及仿真 部门。目前，用于这方面的机器人仿真系统最常见的 ROBCAD 和 IGRIP。下面以机器人离线编程为例来说明机器人仿真系统的应用。机器人是一种通用机械， 通过重新编程，它可以完成不同的工作任务 当机器人改变工作任务时，通常需中断机器人的当前工作， 先对机器人进行示教编程，然后机器人按照新的程序执行新的工作若借助于机器人仿真系统可首先在仿真系统上进行离线编程， 然后将编好的程序装到机器人中，机器人便可按照新的程序执行新的工作， 因此机器人可不必中断当前的工作，从而提高了生产效率，而且这种方法既经济又安全。利用机器人仿真系统进行离线编程在国外已十分普遍，它是机器人仿真系统应用最普遍和最典型的例子。机器人仿真系统的另外一个应用是它可以用于机器人的教学和培训。机器人是一个比较昂贵的设备，在进行机器人教学时，不可能用许多实际的机器人来作为教学和培训的试验设备，机器人仿真系统可为此提供一个方便和灵活的试验工具和手段。 机器人仿真对于遥控操作机器人有着特殊的应用。1993 年德国空间研究机构在美国的 哥伦比亚 号航天飞机上进行了搭载试验， 其中一项内容便是地面操作人员对在航天飞机上的空间机器人进行遥控操作 由于从地面到空间的信号传输往返时间达 7 秒钟。对于这么大的延时，通过手控操作来遥控机器人显然是非常困难的。解决这个大延时间题的唯一有效的途径是利用三维图形实时仿真。即通过对空间机器人及周围环境进行实时仿真，建立一个虚拟的现实环境，操作人员对仿真图形进行操作。由于操作人员与仿真图形之间不存在延时，因而这种控制是非常容易的。而实际的机器人则在几秒钟后跟着仿真图形的动作而动作，从而实现了地面控制人员对空问机器人的遥控操作，有效地解决了大时延的问题。这里机器人三维实时图形仿真起到了关键的作用。目前我国已开始从事这方面的研究工作。 1.3 工业机器人仿真技术的发展概况 1.3.1 工业机器人仿真技术在国外的发展概况 国外很早便认识机器人仿真在机器人研究和应用方面的重要作用，并从 70 年代开始进行了这方面的研究工作在许多从事机器人研究的部门都装备有功能较强的机器人仿真软件系统， 它们为机器人的研究提供了灵活和方便的工具。例如， 美国 Cornell 大学开发了一个通用的交互式机器人图形仿真系统 INEFFABELLE，它不是针对某个具体机器人， 而是利用它可以很容易建立所需要的机器人及环境的模3七自由度工业机器人运动学分析及仿真 型，并且具有图形显示和运动的功能。西德 Saarlandes 大学开发了一个机器人仿真系统 R0BsIM，它能进行机器人系统的分析、综合及离线编程，美国 Maryland 大学开发了一个机械手设计和分析的工具 DYNAMAN， 它能产生机械手的动力学模型根据需要可以自动产生 F0RTRAN 的仿真程序， 同时也可产生符号表示的雅可比矩阵 MIT 开发了一个机器人 CAD 软件包 OPTARM，它可用于时间最优轨迹规划的研究。Michigan 大学开发了一个机器人图形编程系统PR0GREss， 其特点是菜单驱动和光标控制， 并能有 219 图形符号来仿真外界的传感器和执行部件， 以使用户获得更加接近真实的编程环境。 自 80 年代以来国外已建成了许多用于机器人工作站设计和离线编程的仿真系统，例如美国 McAuto 公司开发了机器人仿真系统 PLACE， 它主要用于机器人工作站的设计；PIRensselaerPolytechnicInstitute)研制了 GRASP Calma 公司在 GRAsP的基础上开发了 RobotSIM 软件，它主要用于工作站设计和机器人选型。通用电气公司的研究开发部对 Robot-SIM 进行丁改进工作。Intergraph 公司也研制了一个机器人仿真系统， 它更加强调机器人的动力学特性和控制系统对精度及整个性能的影响。Computervision 公司开发了软件包 obographix， 它具有产生机器人工作路径、仿真机器人运动及碰撞检测等多种功能。目前它能对 8 种常用的机器人进行仿真。Autosimuations 公司研制了两个机器人仿真软件包 AutoMod 和 AutoGram AutoGram 是利用 GPSS 仿真语言的建模软件，AutoMod 是图形显示软件。Deneb 公司开发了 IGRIP 软件，它主要用于工作站设计和离线编程 SRI 国际部研制了仿真软件包 RCODE，它具有几乎实时的碰撞检测功能 西德 Kadsruke 大学建立了机器人仿真系统 ROSI 和 ROS2。法国 LAMM 开发了 CARO 系统，它主要强调三维数据库设计技术，快速性及能在小机器上运行是其追求的目标。以色列 OSHAP 公司推出了ROBCAD， 它主要用于工作站设计和离线编程， 并能将程序下装到系统内。在以上舟绍的软件中大部分已经商品化，并已在很多生产和研究部获得了广泛应用。 国外对工业机器人仿真系统的开发是从1982年开始到1987那年，基本上形成了一些成熟的CAD 软件包。例如美国的UOBSM、英国的SAMMIE、以色列的ROBCAD 等，还有StephenDerby 等人1983 年开发的GRASP仿真系统等。 (1)DELMIA 软件 DELMIA 软件在机器人应用仿真方面处于世界领先地位。DELMlA 软件能显著降低人机时和工程准备时间，提高仿真的精度。DELMIA/IGRIP 是专业机器人模拟软4七自由度工业机器人运动学分析及仿真 件， 利用IGRIP 可快速和图形化地构造各种应用工作单元作业， 同时 DELMIA/IGRIP 能很容易导入CAD 数据，自动碰撞侦测功能能避免破坏，减小风险。不管是对单个机器人作业单元还是整个工厂生产线，IGRIP 都能提供相应的解决方案以提高制造质量、精度和效益。应用DELMIA/IGRIP 软件的建模仿真模块，成功解决了机器人在工作过程中无法直接观察空间运动状况的难题，是直观方便地进行机器人仿真的有益尝试。 (2)ADAMS 软件 ADAMS 软件是虚拟样机领域非常优秀的软件，它的功能很强大，给用户提供了友好的界面，快速简便的建模功能，强大的函数库，交互式仿真和动画显示功能等等。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机制造及试验次数，提高了产品设计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用。 对于形状十分复杂的机械零部件，用ADAMS 建立三维实体模型会十分困难，需要借助UG或者PRO/E 等来辅助建模，利用两个软件之间的接口程序MECH/Pro（即Mechanism/Pro）生成刚体并加一些约束和标记等；其次，将模型转化到ADAMS 界面下，再加复杂的约束和力等，对仿真结果进行检验（如和物理样机对比等），如果不合适，再调整模型或约束等条件，最终达到理想的仿真结果4。 (3)ROBCAD ROBCAD 是运行在SGI 图形工作站、UNIX 操作系统下的大型机器人设计、仿真和离线编程系统。其主要功能包括： 完整的二维、二维半、三维图形设计，图形的逻辑运算，提供线框图、消隐图、实体造型及光照模型。 提供多种标准几何建模协议，实现了其它CAD软件如IGES、VDAFS、SET、GEOMOD 和ROBCAD 的兼容，在这些环境下建立的几何模型可以互相调用。 机器人及设备运动学自动建模，具有大自由度以下机器人通用运动学逆解调器，提供机器人库及部件库，机器人库包括了目前国际上商业化机器人100 多种。 机器人工作单元设计、布置方案可行性检查及优化，工作点及轨迹的交互式生成，机器人及设备的运动和示教，机器人及设备作业任务自动生成。 工作单元作业任务描述及机器人、设备之间的相互通讯，提供了通用编译型5七自由度工业机器人运动学分析及仿真 任务描述语言TDL。 工作单元作业任务动态图形仿真，随机中断和继续，实时观察，碰撞检测及报警，并提供仿真结果视频输出。 整个工作单元或单元内任一元素均可根据ANSI/ISO/DIN 标准绘出机械图纸，提供完整的尺寸标注及数据，具有绘图机接口。 可实现离线编程和机器人任务的上调、下装，提供了17 种机器人控制器语言的翻译器或编译器。 实现机器人工作单元作业的动态图形仿真。在仿真过程中，可对工作单元进行任意平移、旋转、缩放、视点变化;用户可以在任意位置和角度观察单元内的作业情况，系统提供多窗口显示，在每个图形窗内显示单元不同侧面或局部5。 类似成熟的仿真软件还有好多，在这里就不做过多的介绍。 1.3.2 工业机器人仿真技术在国内的发展概况 目前国内从80年代后期起，许多单位也开始从事机器人仿真技术的研究工作。机器人仿真的研究基本上还处于探索阶段，大部分研究都依附于已有的软件而进行的二次开发。我国仿真技术研究起步虽然较晚，但还是取得了一些成果。在国家高技术计划自动化领域智能机器凡号题中，清华大学 浙江大学、沈阳自动化所及上海受大等单位承担了机器人系统仿真的研制任务，取得了多项研究成果，本文后面还将对此工作专门介绍。哈工大、北航、国防科大等单位承担了机器人机构仿真的任务， 还有不少单位针对某一具体方面进行了广泛深入的机器人仿真技术的研究。 （1）清华大学THROBSM 机器人仿真系统 它包括了机器人的动力学和控制的仿真，因而可以利用该系统对机器人系统进行动态分析和研究。尤其适合于对机器人进行控制和轨迹规划方法的研究。该系统由于配备了机器人语言及示教功能，因而也具备离线编程的功能，它为机器人的应用提供了经济和安全的试验手段。同时也可用作机器人的教学和培训辅助工具6。 （2）ROSIDY 仿真软件 ROSIDY 是上海交通大学机器人研究所的俞文伟和邓建一研制开发的一套通用化工业机器人图形仿真软件。 其图形功能和通用性具有很强的实用价值。 ROSIDY 是机器人设计、分析研究和推广的有力工具。由于ROSIDY 采用商品化图形软件作为图形支撑从而大大地降低了软件开发的成本并保持了完善的图形功能。该软件对于一般工业机器人有良好的扩展性，以利于用户的开发使用。此外，用户可独立运行6七自由度工业机器人运动学分析及仿真 ROSIDY 对感兴趣的机器人进行图形仿真，也可通过软件接口调用ROSIDY。尽管在某些功能方面如速度、实体造型、光源等尚不能与大型软件包相媲美， 但就其图形功能和对工业机器人的通用性来说已具有实用价值，尤其在工业机器人的初步设计、研究和分析的辅助方面以及应用论证上将会起到积极的作用7。 （3）PCROBSM 微机机器人仿真系统 PCROBSM 微机机器人仿真系统是清华大学的崔培莲和孙增圻开发研制的，微机机器人仿真系统 （PCROBSM） 是一个适用于IBM 一PC 及其兼容机的机器人仿真系统，该系统功能齐全，可以对机器人的运动学、轨迹规划、动力学、控制算法、力传感器和典型任务等进行仿真。它的主要特色在于具有丰富的机器人控制算法和轨迹规划算法。系统具有良好的用户界面，为用户设计、验证自己的轨迹规 划和控制算法提供了方便的环境，如系统提供了机器人语言SvAL、三维示教和三维图显功能。同时为了更接近实用，系统还考虑了许多实际因素。系统采用C 语言和FORTRAN 语言编程，具有模块化结构，可扩充，易移植8。 （4）刚柔耦合机器人动力学仿真系统 北京工业大学的陈晏、余跃庆等人利用多体动力学软件LMSVirtual.Lab 和有限元分析ANSYS 开发了刚柔耦合机器人动力学仿真系统。由于LMSVirtual.Lab 适于机械系统动力学分析但不能直接用于柔性分析，而ANSYS 适于有限元分析的情况，将两者结合起来，建立了刚柔耦合机器人动力学仿真系统9。 （5）JOGL 实现的机器人仿真系统 JOGL 是Java 对OpenGL API 绑定的开源项目，并设计为采用Java 开发的应用程序提供3D 图形硬件支持。利用JOGL 提供的物体建模、平移、旋转等功能，提出灵活的机器人交互设计方案，实现了机器人系统的快速仿真。通过Applet 实现了基于Browser/Server 模式的系统开发，用户可以通过网络远程控制机器人的运动行为，克服了对机器人控制的空间限制，机器人运动模型可以严格按照数学模型构造，仿真具有较高的精确度。用JOGL实现的机器人仿真系统具有易扩展、易移植等优点。利用JOGL 提供的物体建模、平移、旋转等功能，避开繁琐的底 层开发， 将注意力集中到机器人的交互原理设计上，从而快速实现机器人仿真系统。本文通过Applet 实现了B/S模式的开发，用户可以通过网络远程控制机器人的运动行为，克服对机器人控制的空间限制。机器人运动模型可以严格按照机器人的数学模型构造，具有较高的精确度10。 7七自由度工业机器人运动学分析及仿真 （6）华北电力大学的机器人仿真通用试验平台 华北电力大学的机器人仿真通用试验平台的设计与实现是将MATLAB6.0，OpenGL 和VC+6.0 这三者结合起来，充分发挥它们各自的优点和特长，无论是从开发效率和程序功能的实现，还是开发速度和程序的可扩充性等，对机器人仿真系统开发将具有显而易见的优越性。这种结合各个软件的优势，使最终结果最优的思想是值得我们学习和借鉴的11。 1.3.3 计算机仿真技术在工业机器人应用的优势： （1）通用性： 计算机建模是通用的，能用来表示广大范围的实际系统； （2）柔性： 计算机模型是柔性的，可以方便地修改成表示其他系统的模型或更换信息； （3）费用低： 计算机仿真系统的使用可以在没有建成实际系统的情况下，通过仿真来获得实际系统的可靠数据； （4）整体性： 计算机仿真技术允许在不对实际系统进行分割的情况下，对系统进行设计，分析或重新设计； (5)完整性： 计算机仿真可以在想象得到的任何条件，参数，操作特征进行仿真12。 1.4 工业机器人运动学系统研究现状 运动学正问题的研究目前主要是利用齐次坐标变换矩阵方法将位置和姿态统一描述，该法思路清晰，但运算速度较慢，随着机器人机构自由度的增加对运动学逆问题的讨论带来很多不便。运动学逆问题比正问题复杂的多，主要表现在逆解的存在性和唯一性，存在性决定机器人的操作空间，逆解一般来说非唯一。目前对具有特殊形状的机器人机构如球形手腕机器人机构，其逆解是封闭的，但并不唯一。对一般的机器人机构逆解必须使用数值计算方法，因而数值解的计算速度和精度受到人们的关注，同时机器人机构中常见的奇异状态( 不可解状态) 在数值解中如何避免也是讨论三维问题之一13。 8七自由度工业机器人运动学分析及仿真 工业机器人运动学方程的计算过程需要解多元非线性方程组，数学上尚无完备的方法求其解析解，机构学研究者采用数值分析的方法，取得了一系列进展。但是多数或者算法不稳定，或者过分依赖初值，且计算量大，求解速度慢。工业机器人机构位置正解的神经网络解法也开始进行探讨。利用神经网络对于非线性映射的强大的逼近能力，采用BP 网络，利用位置逆解结果作为训练样本，通过大量样本的训练学习，实现机器人从关节变量空间到工作变量空间的非线性映射，从而取得并联机器人运动学正解，避免了求位置正解时公式推导和编程计算等的繁杂性14。运动学方程的建立与求解是一个机器人系统的关键技术，一直受到广泛的关注， 但仍然是当今的一个研究热点，有着一定的发展空间。 1.5 本文研究的主要内容和工作 在掌握了机器人技术知识，查阅大量的资料，并且对国内外主要的焊接工业机器人的发展现状有了比较详细的了解得基础上，设想和设计工作中需要解决的任务，本文主要研究 7 自由度机器人手臂部分的总体结构进行设计、运动学计算及其运动仿真这几部分内容，主要进行以下几项工作: (1)本体结构设计部分， 本机器人手臂结构方案确定后要运用部分软件把其平面 装配图及其立体图做出；各个关节驱动方案确定后对每个关节进行控制。 (2)运动学计算部分，各个关节要建立坐标系，要推导运动方程的正、逆解，还 要求解其雅可比矩阵；制作运动学正、逆解的求解界面。 (3)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仿真，对在机械设计中使用虚拟样机技术进行尝试和探索。 9七自由度工业机器人运动学分析及仿真 第二章 机器人本体结构设计 2.1 机器人机械设计的特点 机器人独特的结构特点大致可以归纳为以下四点 (1)关节型工业机器人操作机可以简化成各连杆首尾相接、末端开放的一个开式连杆系。为实现要求的坐标运动，在大多数工作时间内，连杆系末端是无法加以支撑的，因而操作机的结构刚度差，并随连杆系在空间位姿的变化而变化。 (2)在组成操作机的开式连杆系中，每根连杆都具有独立的驱动器，因而属于主动连杆系。这和普通的连杆系不同，在普通连杆系中，所有的连杆运动都出自同一驱动源，各连杆间的运动是互相制约的。由于操作机连杆的运动各自独立，不同连杆的运动之间没有依从关系，故而操作机的运动更为灵活。 (3)连杆驱动扭矩的瞬态过程在时域中的变化是非常复杂的，且和执行件反馈信号有关。连杆的驱动属于伺服控制型，因而对机械传动系统的刚度、间隙和运动精度都有较高的要求。本文所用的三个关节驱动是步进电机驱动， 属于开环控制型。 (4)连杆系的受力状态、刚度条件和动态性能都是随位姿的变化而变化的，因此，极容易发生振动或出现其它不稳定现象。 从以上特点可见，一个好的机器人设计应当使其机械系统的抓重自重比尽量大，结构的静动态刚度尽可能好，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。人类的手臂是最优秀的操作机，它的性能是机器人设计追求的目标16。 2.2 机械结构分析 课题基于安川电机于 2008年6月21日推出的 7 轴电弧焊机器人“MOTOMAN- VA1400”（图 2-1）进行结构分析。采用 7 轴结构，不仅可提高生产效率，还可节省空间。 10七自由度工业机器人运动学分析及仿真 图 2-1 7 轴电弧焊机器人“MOTOM AN- VA1400” 构成第 7 轴的旋转轴（ 轴）位于下臂的中间部位（图 2-2）。由于可借助 轴做出工作臂回转姿势，因此，很容易在确保最佳焊接姿势的同时，避免工件以及夹具对机器人工作臂的干扰。可对大型工件以及从夹具的各个方向以最佳的姿势进行焊接。进入工件内部以及内面焊接也都更容易。 此外，动作范围扩大到最大 1434mm。各轴的动作速度也比以前机型最多提高了 5。搬运重量为 3kg，重复定位精度为0.08mm。 11七自由度工业机器人运动学分析及仿真 图 2-2 下臂的中间部位 以前，焊接汽车车架以及车座框架之类的长型、大型、复杂形状工件时，是在工件定位器的侧面位置设置机器人，并且 1 道工序设置数台机器人，将作业分割成多道工序来进行的，以避免干扰以及确保正确的焊接姿势。通过 7 轴控制，可在维持焊枪最佳姿势的同时，避免与工件及夹具的干扰。而 VA1400 通过机器人工作臂的回转避免干扰，即使从工件的上方进行焊接，焊枪也能取最佳焊接姿势，因此，可将机器人配备在架或定位器之上。与设置在侧面位置相比，设备面积可减少到原来的 1/2。 由于很容易避免配置在近处的机器人之间的工作臂干扰，因此，不仅可在狭窄空间内设置多台机器人，而且用 1 台机器人即可处理原来需 2 台机器人负责的 2 个工序的工作。因此，设备面积以及机器人台数可比原来减少。 与原来机型相同，焊枪以及焊枪电缆内置在机器人工作臂中。由于动作时不干扰邻近的机器人、外围设备以及电缆，因此，容易进入狭窄场地。另外，VA1400将焊接接地电缆、瓦斯软管以及空气软管内置在机器人的基座里，提高了易用性和易维修性。了解机械结构后，用UG6.0创建三维模型并装配。 12七自由度工业机器人运动学分析及仿真 2.3 技术参数图 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。 基于7 轴电弧焊机器人 “MOTOMAN-VA1400”的技术参数，对机器人各个部件进行分析和命名。“MOTOMAN-VA1400” 的技术参数如图2 -3和2 -4。 图2-4 “MOTOMAN-VA1400” 技术参数 13七自由度工业机器人运动学分析及仿真 图2-4 “MOTOMAN-VA1400” 技术参数 2.4 七自由度工业机器人技术指标参数表 轴 最大运动范围 度 最大角速