毕业论文-工业机器人手臂设计

1、本科毕业论文毕 业 论 文题目名称： 工业机器人手臂设计 院 系： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2018年3月30日工业机器人手臂设计摘 要：随着世界工业的发展，工业机器人在工业生产领域越来越普遍已是大势所趋，工业机器人技术也日新月异，其中六轴机器人以其结构简单、灵敏度高、安装方便、占地空间小等优势在机器人领域里大受好评，在喷涂、焊接、搬运等多个领域广泛应用。本文以设计工业机器人结构参数，建立D-H数学模型计算末端位置坐标和通过CATIA中DMU运动分析模块进行机器人仿真模拟角度对六轴机器人手臂进行剖析。关键词：六轴机器人；D-H数学建模；DMU运动分析Arm design o

2、f industrial robotAbstract: with the development of industry, industrial robots are more and more popular in the field of industrial production is represent the general trend of industrial robot technology, also change rapidly, of which six axis robot with its simple structure, high sensitivity, con

3、venient installation, small space occupation and other advantages in the field of robot acclaimed, widely used in various fields of spraying and welding handling, etc. In this paper, we design the industrial robots structural parameters, establish the D-H mathematical model, calculate the end positi

4、on coordinates, and analyze the six axis robot arm from the angle of CATIAs DMU motion analysis module.Key words: six axis robot; D-H mathematical modeling; DMU motion analysis 目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20215 1 绪论 PAGEREF _Toc20215 1 HYPERLINK l _Toc15344 1.1工业机器人的作用 PAGEREF _Toc15344 1 HYPERL

5、INK l _Toc15146 1.2中国工业机器人的发展 PAGEREF _Toc15146 2 HYPERLINK l _Toc27516 1.3国内外工业机器人发展情况对比 PAGEREF _Toc27516 2 HYPERLINK l _Toc3893 2 工业机器人手臂结构设计 PAGEREF _Toc3893 3 HYPERLINK l _Toc2539 2.1工业机器人手臂总体结构框架 PAGEREF _Toc2539 4 HYPERLINK l _Toc7259 2.2.工业机器人的传动结构分析 PAGEREF _Toc7259 4 HYPERLINK l _Toc196 2.

6、2.1关节6的结构 PAGEREF _Toc196 4 HYPERLINK l _Toc22029 2.2.2关节5的结构 PAGEREF _Toc22029 4 HYPERLINK l _Toc3479 2.2.3关节2、4的结构 PAGEREF _Toc3479 4 HYPERLINK l _Toc17396 2.2.4关节3的结构 PAGEREF _Toc17396 5 HYPERLINK l _Toc16476 2.2.5关节1的结构 PAGEREF _Toc16476 5 HYPERLINK l _Toc2390 2.3工业机器人手臂基本尺寸确定 PAGEREF _Toc2390 5

7、 HYPERLINK l _Toc24004 2.3.1大小臂参数 PAGEREF _Toc24004 5 HYPERLINK l _Toc21658 2.3.2关节角范围的确定 PAGEREF _Toc21658 6 HYPERLINK l _Toc19753 2.3.3机器人手臂工作范围 PAGEREF _Toc19753 7 HYPERLINK l _Toc24567 3 六轴机器人手臂运动学分析 PAGEREF _Toc24567 7 HYPERLINK l _Toc14089 3.1建立D-H数学模型 PAGEREF _Toc14089 7 HYPERLINK l _Toc13460

8、 3.1.1D-H数学模型的研究方法 PAGEREF _Toc13460 7 HYPERLINK l _Toc24609 3.1.3D-H参数表及计算 PAGEREF _Toc24609 9 HYPERLINK l _Toc11167 3.2在CATIA中DMU模块中实现关节转动及运动模拟 PAGEREF _Toc11167 10 HYPERLINK l _Toc28330 3.3在CATIA中校核D-H模型计算结果正确性 PAGEREF _Toc28330 11 HYPERLINK l _Toc17700 4 运动仿真 PAGEREF _Toc17700 11 HYPERLINK l _To

9、c29263 参考文献 PAGEREF _Toc29263 131 绪论1.1工业机器人的作用机器人的出现与高速发展是社会、经济发展的必然，是为提高社会的生产水平和人类的生活质量，让机器人替人们干那些人们不愿干、干不了、干不好的工作。 在现实生活中有些工作对人体造成伤害，比如涂装、重物搬运等;有些工作要求质量很高，人类难以长时间胜任比如汽车焊接、精密装配等;有些工作人类无法身临其境，比如火山探险，深海探密，空间探索等;有些工作不适合人类去干，比如一些恶劣的环境、一些枯燥单调的重复性劳作等，这些都是机器人大显身手的地方。 发展工业机器人的主要目的是在不违背“机器人三原则”的前提下，用机器人协助或

10、替代人类从事一些不适合人类甚至超越人类的工作，把人类从大量的、烦琐的、重复的、危险的岗位中解放出来，实现生产自动化、柔性化、避免工伤事故、提高生产效率。 对于制造企业而言，他们最关心的问题莫过于:“投资机器人有哪些处?多长时间可以收回投资成本?” 对此，ABB(工业机器人行业四大巨头之一)给出了十大投资机器人的理由。这十大理由包括:第一，降低运营成本;第二，提升产品质量与一致性;第三，改善员工的工作环境;第四，扩大产能;第五，增强生产柔性;第六，减少原料浪费，提高成品率;第七，满足安全法规，改善生产安全条件;第八，减少人员流动，缓解招聘技术工人的压力;第九，降低投资成本，提高生产效率;第十，节

11、约宝贵的生产空间。 在普遍增购工业机器人的背后，各国有着不尽相同的原因。最为典型的就是缺少劳动力的日本。而我国也有很多理由欢迎工业机器人:机器人可以提高能效，执行连训练有素的工人都不可能胜任的复杂操作和高危任务;机器人固有的精确性和可重复性，可确保生产的每件产品均具备较高的品质和一致性，平均故障间隔期达60000h以上。 而最重要的原因在于人口和经济基本条件的转变:中国劳动适龄人口正在减少，造成劳动力成本螺旋式上升。 据总部位于法拉克福的国际机器人联合会(IFR)数据:2014年，中国成为世界上使用工业机器人最多的国家。可以预计，不久的未来，现在“以人为主导”的生产模式，将变成“以机器人为主导

12、”的制造模式。当今世界近50%的工业机器人集中使用在汽车领域，主要进行搬运、码垛、焊接、涂装和装配等复杂作业。下面着重介绍这几类工业机器人的应用情况。1.2中国工业机器人的发展 目前，机器人产业正在全球范围内加速发展，2017年的全球工业机器人销量仍然以两位数大幅增长，销量全年或将达到28.5万台。2015年全球工业机器人销量同比增长12，而全球正在使用的工业机器人已超过150万台。到2018年，其使用量将突破230万台，其中，140万台在亚洲，占比超过一半。 自2013年以来，中国已成为全球最大的机器人消费国。2014年消费5.6万台机器人，同比增长超55，占全球总消费量的14，相较于200

13、6年的5800台，猛增近10倍。2016年全年产量达7.2万台累计增长34.3。中国的制造业正面临着向高端转变的挑战，工业机器人的发展成为其中非常关键的一个环节。在政策上，2016年推出了多个利好行业发展的新政法规，将工业机器人作为一大重要发展方向。 2017年中国工业机器人市场发展前景在政策等多方面的推动下，预计到年末，中国机器人保有量将有超过40万台。未来将有越来越多的中国机器人供应商进入市场。外资和中国本土机器人供应商之间竞争将会越来越激烈。未来中国市场各种机器人的增长潜力巨大。另外，随着我国工业转型升级、劳动力成本不断攀升及机器人生产成本下降，未来“十三五”期间，机器人是重点发展对象之

14、一，国内机器人产业正面临加速增长拐点。相对于服务机器人和商用机器人在国内市场还处于探索期，工业机器人有了一定的发展基础，目前正进入全面普及的阶段。预计到2021年末，我国工业机器人产量将达到11.15万台；销售量将达到23.04万台以及保有量将达到136.04万台。工业机器人未来在中国的发展潜力将是相当可观。1.3国内外工业机器人发展情况对比 在2008年全球金融危机之后，工业机器人作为高端装备制造业的代表，再次受到了各国普遍重视。各国为提振本国制造业的竞争力，纷纷推出了机器人产业发展战略，加速布局及推动本国工业机器人产业发展。接下来从多个角度对美国、日本、德国、韩国、中国等5个国家的工业机器

15、人发展战略进行对比分析，梳理五国工业机器人产业发展战略的思路。国别战略定位产业发展背景主要措施主要目标美国技术领先面对产业“空心化”的情况，2009 年美国政府提出“再工业化”，鼓励制造企业重返美国，重构实体经济。重视工业机器人的技术发展，鼓励工业机器人应用从大公司不断走向中小型企业。实现智能机器人技术世界领先、保持制造业世界第一的地位日本全面领先存在较严重的社会老龄化、劳动人口减少、自然灾害频发等问题，工业机器人产业面临中国、韩国等新兴国家快速追赶。拟通过实施五年行动计划和六大重要举措达成三大战略目标，推动日本机器人革命，提升日本制造业的国际竞争力，获取大数据时代的全球化竞争优势。保持世界第

16、一的“机器人 王国”地位德国综合领先制造业增长乏力，以美国为首的信息技术不断渗透到制造业，使得德国的竞争优势面临被削弱的危机。“工业4.0”带动机器人智能化，将工业机器人融入“智能制造”的信息物理系统(CPS,Cyber-PhysicalSystem) 中，在制造业向智能化转型过程中，推动工业机器人产业的发展。保持世界制造业强国地位韩国产业追赶国内汽车、电子等行业对工业机器人的需求旺盛，国产机器人在海外市场表现不佳，急需寻求机器人发展突破点。提出四个策略推动机器人产业的发展，通过推动机器人与各领域的融合应用，将机器人打造成支柱产业，重点发展救灾机器人、医疗机器人、智能工业机器人、家庭机器人等四

17、大类型机器人。进入世界机器人强国前三名中国全面追赶市场增长快，发展空间大，但是自主发展能力较差，关键零部件严重依赖进口。工业机器人企业数量多，低水平竞争，同质化严重。“十三五 时期要实现“两突破”、“三提升”，即实现机器人关键零部件和高端产品的重大突破，实现机器人质量可靠、市场占有率和龙头企业竞争力大幅提升。形成较为完善的机器人产业体系，成为世界制造强国。2 工业机器人手臂结构设计目前的工业机器人中，最为普遍的就是六轴机器人了，他相比于传统的直角坐标系，圆柱坐标系和极坐标系机器人，极大提升了机构的灵活性，通过6个转动轴控制机器人手臂的6个自由度，与此同时，六轴机器人拥有大臂和小臂两个机械臂，通

18、过两臂间的相对运动，大大提升工作空间，而且其占地面积小，结构紧凑简单，安装方便。本章节主要设定机器人的各项参数，研究其本体机构，然后通过前三个关节的运动情况，研究其位姿变换，最终求得所研究的工业机器人手臂的工作范围。2.1工业机器人手臂总体结构框架本次研究的六轴机器人手臂，总体结构遵循传统六轴机器人，都是以轴1轴6相交的系统建立各个关节，其中轴2与轴3平行，轴4、轴5、轴6相交于一点，为了确保机器人手臂在工作中的灵活性，尽量节约空间，以及保证工作范围最大化，我们将伺服电机位置尽量下移，这里将控制大臂转动的伺服电机放在基座侧端，通过蜗轮蜗杆改变转动方向，满足工作需求；控制大臂和小臂俯仰的伺服电机

19、放在驱动臂座与大臂相交的位置，控制轴4轴5轴6的电机放在小臂靠近大臂末端的位置，将重心后移，减少力矩，所有伺服电机皆为外置，减少了结构的复杂性，并且方便电机的维修检查。手腕部分选择RBR型手腕，最初的RBR型手腕式为了避免管路打结所以设计的尺寸很大，不过我们这里将轴4的占用空间归至小腕的长度之中，而且不同于传统的六中机器人手臂的同步带轮设计，这里将轴4轴5轴6的传动交由几个空心的中心轴带动，既保证运动不会影响内部管路，又比同步带轮更节约空间并且美观。2.2.工业机器人的传动结构分析2.2.1关节6的结构关节6的传动零件包括两组锥形齿轮，一组直齿圆柱形齿轮，一组谐波齿轮，一个连接锥齿轮与谐波齿轮

20、的中心轴以及轴承和连接件组成，其中中心轴实现了电机转动的远距离输出，而且相对于同步带轮精度更高。两组锥齿齿轮两次改变转动轴方向，使其与关节5配合更契合，并使转动轴最终转动方向为手腕末端的转动方向。2.2.2关节5的结构关节5的传动零件包括一组锥形齿轮，一组谐波齿轮，一个连接锥齿轮与谐波齿轮的中心轴以及轴承和连接件组成，其中中心轴同样起到了电机转动远距离传输的作用，锥形齿轮改变转动方向。2.2.3关节2、4的结构关节4的传动零件只有一组谐波齿轮和轴承以及连接件组成，谐波齿轮降低了电机传动来的高速转动，并且放大了力矩，连接中心轴带动手腕整体转动。关节2则是直接通过谐波齿轮降低转速传动到大臂转轴上，

21、带动大臂转动。2.2.4关节3的结构关节3的传动零件包括一组谐波齿轮和一个平行四边形机构组成，平行四边形机构将带动小臂的电机位置下移，更节约空间，使机构更加灵活。2.2.5关节1的结构关节1的传动是通过蜗轮蜗杆传动的，蜗轮蜗杆传动可以改变转轴方向，不同于锥形齿轮的地方在于两啮合齿面间为线接触，所以其承载能力远远大于锥形齿轮，并且机构更加紧凑。2.3工业机器人手臂基本尺寸确定本次设计的机器人手臂主要针对点胶，弧焊，搬运功能进行技术分析与参数设定2.3.1大小臂参数机器人的工作范围是一个机器人最总要的参数，也是所有机器人参数中最直观最重要的参数之一，机器人的工作空间由机器人的位姿和手腕工作空间决定

22、，位姿变化大臂（l1）小臂(l2)的长度密切相关，是影响机器人手臂工作范围的最直接因素，理想情况下机器人工作范围为一个R=（l1+12),r=(l2-l1)的同心圆组成的圆环构成，当l2=l1时方为最大，因为考虑到手腕转动会与基座空间干涉，所以l1=l2时两臂间的夹角不可能为0，那么l1=l2就没有意义了，为了实现手腕运动不会与大臂干涉，我们选取l2=l1+R1+d,其中R1为手腕转动半径，d为安全距离。2.3.2关节角范围的确定关节角度是机器人位姿变化的另一大重要性因素，所以我们要在允许的范围内选区最大的关节角以达到工作范围最大化的目的，主要影响关节角大小确定的因素有空间结构上各零件在转动过

23、程中发生空间干涉，以及各零件之间的安全距离。首先要考虑的就是大臂的转动角度，大臂前倾后仰与驱动臂座是否干涉，与底座是否会发生碰撞，以及安全距离的保证，其次要考虑到大臂前倾角度过大会导致整个机构重心前移，重心偏移过大会增加机器所承受的载荷，载荷过大就需要增加机器关键部位零部件强度，增加不必要的麻烦，所以我们选取大臂转动角度的时候前倾角不要太大，其次是小臂，只要空间不干涉并且保证安全距离就可以，之后各个关节角度确定都依据这两个因素，最终确定出一下参数表：六轴机器人手臂参数表自由度6额定负载20KG最大工作半径1361.5mm关节运动范围关节1-170deg,+170deg关节2+20deg,+14

24、0deg关节3-90deg,+80deg关节4-180deg,+180deg关节5-120deg,+120deg关节6-360deg,+360deg各关节最大转速关节1112deg/s关节2112deg/s关节3149deg/s关节4300deg/s关节5300deg/s关节6360deg/s2.3.3机器人手臂工作范围根据以上确定的机器人基本参数，我们可以绘制出工业机器人手臂的工作范围，图1为关节2、3转动时机器人位姿变化，图中各个圆弧半径分别为大小臂角度为180deg时沿大臂旋转中心转动+20deg+140deg的轨迹、大臂最大俯角时，小臂沿着小臂旋转轴线由与大臂180度旋转到最大俯角的轨

25、迹、小臂大小臂最小俯角时沿大臂旋转中心转动+20deg+140deg的轨迹、大小臂最大仰角时，小臂沿小臂旋转轴线转动-90deg+80deg的轨迹，图2为机器人关节1转动时机器人位姿变化，这两个图相结合就是工业机器人的工作范围。3 六轴机器人手臂运动学分析3.1建立D-H数学模型3.1.1D-H数学模型的研究方法D-H建模其实就是齐次坐标变换的变形，他通过特定的坐标轴选择，达到用4个参数来约束空间6个自由度的目的，从而使计算更高效。他可以将一个机器中的多个机构简化成多个关节和连杆，然后通过连杆长度、连杆扭转、连杆偏移和关节扭角四个参数来进行运算。其中连杆长度代表两个相邻关节轴线（旋转关节的旋转

26、轴或者平移关节的平行轴）间的距离，就是两轴线公垂线的长度。连杆扭转代表一个关节轴线绕它与下一个关节公垂线转动至与下一个关节轴线平行位置的转角。连杆偏移是指一个关节与前后两个关节的公垂线在这个关节轴线上的距离。关节转角则是指一个关节与前后两个关节的公垂线在这个关节轴线上的转角。在D-H参数体系中，我们通常用关节的轴线作为D-H轴系的Z轴，用本关节指向下一关节的方向定义为X轴，然后通过右手定则确定Y轴的方向。3.1.2为六轴机器人手臂建立D-H模型在我本次研究的六轴机器人手臂中包括了6个旋转关节，所以我们需要对每个轴建立一个坐标系，并且要建立一个初始坐标系和一个末坐标系，总共8个坐标系。首先找到在

27、机器人手臂各个轴的轴线，并画出相邻两轴线的公垂线，如下图所示：我们把六轴机器人手臂的六个关节依据底座到手腕部分的方向依次定义为轴1到轴6。图中绿色线代表轴线，红色线代表公垂线，相邻两平行轴线的公垂线与上一公垂线相交，其中轴二、轴三方向为投影方向的法向，轴4、轴5、轴6轴线相交于一点。然后开始建立D-H参数中的轴系，选取各轴的轴线为Z轴，方向等X轴方向确定后再定义，定义轴系1的X轴为轴1与轴2的公垂线，方向为轴1指向轴2方向，Z轴方向为基座指向机械臂方向，原点为轴1轴线与轴1轴2公垂线的交点；轴系2的X轴为轴2与轴3的公垂线，方向为轴2指向轴3，Z轴方向为指向图片里，原点为轴2轴线与轴2轴3公垂

28、线的交点；轴系3的X轴为轴3与轴4的公垂线，方向为轴3指向轴4，Z轴方向为指向图片里，原点为轴3轴线与轴3轴4公垂线的交点；轴4与轴5的公垂线和轴4与轴3的公垂线平行，所以X轴方向与轴系3一致，Z轴方向由轴4指向轴5，原点为轴4轴线与轴3轴4公垂线的交点；轴系5的X轴为轴5与轴6的公垂线，方向在图中向上，Z轴方向指向图片里，原点为轴4轴5轴线交点；轴系6的X轴方向与轴系5的X轴方向一致，Z轴由轴5指向轴6，原点与轴系5一致；初始轴系（轴系0）X轴Z轴方向均与轴系1一致，原点为轴1轴线与底座底面交点；末坐标系（轴系7）X轴Z轴方向均与轴系6一致，原点为轴6轴线与手腕末端平面交点，Y轴方向遵循右手

29、定则。建立的D-H轴系如下图所示：3.1.3D-H参数表及计算依据所建轴系测量出计算所需的D-H参数，见下表：ad100561.06912181.053-90deg023664.9950034169.846-90deg045090deg675.5560-90deg067（末端）001780根据D-H参数表中的信息，可以得出以下变换矩阵：T=；T=；T=；T=；T=；T=；T=。将以上矩阵依次相乘，得出初末轴系变换矩阵：T=TTTTTTT3.2在CATIA中DMU模块中实现关节转动及运动模拟CATIA中的DMU模块可以对数字模型进行精准的运动状态分析，是CATIA中很强大的功能，在数字模型运动机

30、构模拟(DMU Kinematics)模块里，我们可以应用运动学原理，通过约束零件之间自由度的方法，建立出机构，并且按照所设定的命令达到需要的运动状态和运动轨迹。在这个模块里数种接合方式，供用户创建机构，并且可以实现动态仿真，记录运动状态，然后制作成影片播放。进入DMU运动分析模块需要处于Product模块下，才可以直接导入装配到DMU运动分析中，不然就会新建一个Product文件，然后要将已有的子产品导入到到这个装配中。进行DMU运动分析的第一步就是创建运动接合（Joint），这里的17种运动接合可以模拟大多数运动方式，大致可以分为四类，实体接合，几何接合，复合接合，以及坐标对齐。其中实体结

31、合就是用已有的零件，利用零件的轴、面等进行约束的接合方法，几何接合是利用创建的几何图形进行约束，复合接合是拥有多个自由度的接合方式，坐标对齐是一种利用创建坐标轴的方法创建接合的方法。在这次研究的六轴机器人中，我们可以应用到的只有旋转接合，刚性接合和齿轮接合，其他的就不一一介绍了。旋转接合，可以让两个零件绕着一个轴转动，但这两个将零件在结合的位置必须各有一条轴线和一个与轴线正交的平面，将两轴线重合并设置两平面之间的偏移距离后，即成为了一个自由度为1的旋转接合。刚性接合，可以将两个零件接合成一个刚体，保证两个零件之间的相对位置不再改变，这个接合方式可以模拟螺栓固定，在这次研究中应用最为频繁。齿轮接

32、合，这种接合方式是采用虚拟出两个圆盘带替齿轮，手动设置传动比和旋转方向，不需要绘制齿轮模型就可以实现运动仿真，齿轮接合由两个旋转接合组成，每个旋转接合都有一个固定转轴和一个转动圆盘组成，圆盘间不需要相互接触，圆盘大小与齿轮的传动比也无关。一个完整的机构还要有一个固定零件作为参考，所有的机构运动都是相对于固定零件进行的，而且一个运动机构中只能有一个固定零件。3.3在CATIA中校核D-H模型计算结果正确性在CATIA中进入DMU运动分析模块，打开六轴机器人装配图，为了让各关节转角更直观的体现出来将其结构进行简化，只保留表面结构，将内部齿轮和一些不必要的连接结构隐藏，只保留各个关节和外观，然后将底座固定，将关节1以前的结构都依次进行刚性接合，建立约束，之后选取底盘旋转涡轮上法兰盖轴线与驱动臂座的轴线通过两零件相互平行的两个偏移平面建立一个转动接合，然后将关节2与关节3之间所有的零件通过刚性接合依次接合在一起，再选取关节2和关节3对应轴线与平面进行旋转接合约束，以此类推，直到将所有保留的零件都约束好了，机构中显示自由度为6，就可以进行下一步了。点击使用命令进行模拟，在其中调节各个关节角度，让机构动起来，选取一组关节角度，在CATIA中用坐标创建一个点，设这个点基于轴系7的坐标为（0,100,