【六自由度关节机器人虚拟仿真分析15000字（论文）】

六自由度关节机器人虚拟仿真分析摘要近年来现代科学技术快速蓬勃发展，现代社会自动化水平的提高带动了机器人发展水平的提高，工业机器人技术作为一门新兴学科已经与我们的生活息息相关，生活中随处可以看到它们的影子。它涉及了电子信息工程、自动化控制工程、机械原理、机械设计、计算机辅助设计等多个学科。它集合了人工智能等多种新型学科领域内的最新研究成果，这对于机器人的相关研发是很具有意义的。ADAMS等一系列仿真分析软件为机器人的相关研发设计供应了更加方便的途径，ADAMS软件可以直观、方便、准确地分析机构的运动学特性。这款软件通过在虚拟环境中将实物参数化创建三维模型，以便于对机器人各个部分进行静力学、动力学、运动学的优化分析，再输出其位移、速度及加速度的特征曲线，这显著的提升了机器人技术领域的研究水平。本文分析的关节机器人主要用于解决工业自动化生产中的物体搬运问题。由于此工业机器人的机械结构较多，所以在对其建立三维模型时进行了简化，以便于对其进行动力学分析及运动学分析。通过CAD建模软件SolidWorks对这个机器人各个部件进行建模然后再装配，装配完成之后将文件另存为格式为“parasolids”后缀为“x_t”的文件，再导入ADAMS软件，添加各构件间相应的约束、作用力之后设置仿真的时间和步数再进行仿真，仿真后提取相应曲线，并且根据正向运动学方程对初始位置的机器人末端位姿进行了计算。关键词：机器人；动力学分析；运动学分析；虚拟样机技术目录3067摘要 VI第1章绪论1.1国内外研究现状近代科学技术的不断进步，工业机器人领域也在突飞猛进，但国内外仍然存在着较大的差距。我国是在近三十年才部署进军机器人的相关研发和应用的。随后相应开展了“七五”机器人攻关计划、“863”计划等等推动机器人的相关研发。到目前为止，国内涉及工业机器人的应用研究领域的大部分还是以高等院校和相关关科研院所为主。起初我国在机器人技术领域的主要目的是跟上国外先进的机器人技术，之后，我国在工业机器人研究及其应用领域取得了卓越进步。主要的相关研究有：哈工大研发的两足型步行机器人，国家开放实验和研究单位北京自动化研究所在研制的喷涂型机器人和高压水切割型机器人以及沈自所研制的有缆深潜型机器人、无缆深潜型机器人和遥控移动作业型机器人等，国防科大研究的两足类人型机器人，北航研究的三指灵巧型机械手，华南理工大学研究的点焊、弧焊型工业机器人等等，还有各种型号的机器人装配拆卸系统等。国内目前现有的机器人数量大概在四千台左右，而且主要集中应用在工业较为发达地区，然而现在世界上投入使用的机器人数量有83万台之多，并且较多集中在工业发达国家美国、日本、德国等。如此看来在机器人研究应用相关领域，我国对发达国家的追赶还需要一段时间。工业机器人领域的龙头企业集中分布在工业发达国家日、美、德等国，国内对工业机器人应用领域投入的研究一开始主要还是以高校和科研院所为主，伴随着我国机器人市场的逐渐开拓，特别是在2013年成为全球领先以来，参与的企业也越来越多，也在其中获取了卓越的成果，国内生产的机器人的市场占有率也随之逐渐扩大。现在各国都在互相比拼研发人工智能技术、机器人技术、5G通信技术、物联网、大数据等先进核心技术。机器人技术是新型工业革命重要的一环，将会是下一次工业革命的关键表现之一，工业机器人不仅是新型智能制造产业的关键组成环节，而且也将会是促进我国的低端制造行业快速转型的关键。从整个产业链来看，上游属于产业附加值高的一带，但几乎是在日、德两国企业垄断之下。由于机器人市场的高端领域长时间被国外公司垄断，导致一些技术被国外垄断例如工业机器人的伺服系统和控制系统领域就被日本的FANUC公司所掌控，相关的机床的一些零部件协同就也被其垄断，这些让它获取巨额的盈利。产业链中游部分尚未形成技术垄断的局面，这样一来对于产业链中游一带的科研竞赛就成为各国互相竞争的中心。产业链的下游是系统集成部分，而我国企业就主要占据在产业链下游的集成应用环节，我国占据了全球工业机器人消费市场的大部分市场，国内的国产工业机器人主要以中低端产品为主，占有30％左右的市场份额，这一环节在整个产业链中对于产品的价值传递起桥梁的作用，具有独特优势。自2013年以来，各国都积极推进对机器人领域的研究，德国、美国、韩国、日本相继发布推动工业机器人领域发展的国策，国内在机器人领域相对起步较晚，在2016年发布了《机器人产业发展规划（2016－2020年）》推动国内机器人技术发展，由此看来近年来全球各工业大国家相继把机器人作为一个重要切入点来推动产业转型升级。日本通过推动产、学、官合作政策来推动机器人产业的快速发展能力，在战略性增进机器人研究领域的开发与应用的同时也打造工业应用机器人领域所需的环境，使机器人融入国民生活。而美国在不同角度比较了各机器人产业的未来发展趋势，以便于来巩固美国在机器人研究领域在全球的“老大”地位。德国则开始建设新时代嵌入式制造“智能生产”系统，让基础的驱动生产系统变得更加智能化。韩国将目光投向大力发展服务型机器人产业，将政策聚集在放在扩大韩国机器人产业在全球的影响力并大力支持其国内机器人相关企业进军海外市场等多个领域。我国政策则旨在实现我国对机器人关键零部件生产制造技术和高端产品领域的重大突破，实现机器人品质率、市场占据率和尖端企业优势抗衡力的快速反超。目前工业机器人的巨头企业主要集中在日本、美国、德国等工业领域高度发达的国家，这些国家内以发那科、安川电机、ABB、库卡等为首的机器人龙头企业。这些企业均在工业机器人各个领域扎根已久，技术相当深入并且发展动向紧跟时代潮流，很具有创新活力，都各自慢慢形成了百花齐放的核心竞争力，在机器人领域都独有建树。德国在工业机器人领域的研发应用在世界上稳居前列位置，韩国也在不断发力占据了全世界工业机器人相关产业线中关键的上游部分，在生产制造机器人本体、提供机器人相关技术和增值服务及关于机器人系统集成甚至一些核心零部件等等这一系列产业链中拥有显著优势地位，紧紧控制住了产业链上游这一巨额盈利点。需要工业机器人核心技术生产的很多零部件都处于这条产业链上游部分，在这当中日本的机器人企业已经走在很前面了，有发那科、安川电机等多个机器人龙头企业，它的机器人产业链每个环节都发展的比较全面，对于相关技术的研究和宣发其市场进行扩张的都非常迅速。工业机器人的一些涉及核心技术的零部件包括了一些技术门槛较高的高精密的减速器和伺服电机以及其驱动、控制器等，也是日本机器人企业在全球机器人产业中盈利主要来源，制造工业机器人的相关企业和给它提供零部件的上游企业关系是以上游供应零件商为主导，垄断了核心技术零件的形式。制造工业机器人的本体的相关设计在产业链处于中游地带，制造的技术难度比关键部分的零部件低，相应的产业附加值要比集成系统应用的部分多，目前全世界都在研究的中心。现代机器人技术经过快速发展与完善已经大致成了一个相对比较成熟的工业领域体系，但是我国在这方面距离国外先进水平还有很远的路要走。前沿的机器人技术将有力地推动我国制造业突飞猛进，这将大大推进我国的低端制造业快速转型。通过基础的对机器人的虚拟仿真分析不仅是研究机器人技术经济实惠的最佳方案，而且也能能加强对课本理论知识和实际应用的深度理解，所以对于机器人设计的虚拟仿真技术是很值得去研究的。1.2课题的来源和研究意义现代制造领域的大体趋势是趋于智能化生产，其中很大一部分是基于机器人，而机器人的制造能力也是目前可以用来评审估计国家高层次制造业发展水平的重要标准。工业机器人科学地讲就是用于工业制造领域的多自由度并且可以对其编程控制的智能自动化操作机器，用于自动化工业生产可以大大解放人工劳动力。焊接类机器人是目前在机器人相关应用场景中出现较多的一类机器人，焊接机器人进行工业焊接具有诸多优点：人工焊接时，因为工人操作的熟练度高地，很难做到质量均同，但使用焊接机器人就可以提高焊接的稳定性，并且焊接的质量较为稳定，还降低了人工操作的难度，受人为因素的影响比较小。与此同时还改善了工人的工作环境，远离了焊接的弧光、烟尘等，提供了更好的工作环境，并且机器可以全天无休运行，只需要定时让工人维护，这就显著的提升了焊接的效率。然而国内在焊接机器人这一块还处于空白地区，几乎全部的焊接机器人都是从国外进口引入的。机器人技术是当前各国争抢的经济技术制高点，因此也正是我国发展焊接机器人装备产业的黄金时期，推动焊接机器人的广泛应用来满足当下以及未来的市场需求，这对我国完成“中国制造2025”制造业转型具有重大意义。虚拟仿真技术就是指用计算机等新型科学技术来模拟塑造一个模拟环境，在模拟环境内来让一些复杂的数据可视化并且能相互干涉。这项技术就是用虚拟仿真来将现实生活中的环境影响因素数据化再移植进计算机中模拟环境来达到模拟实验场景的虚拟仿真效果。由于机器人技术这门学科是结合了机械设计制造、控制工程原理、微机电技术和计算机科学技术等多门学科知识的一门综合性很强的技术，在这样的前提下设计机器人的各项动作是需要考虑各种原因干扰的，所以在对于机器人的研究设计中，针对机器人的各方面性能优化改善不得不进行大量实验去察验。过去老旧的机器人设计计划中，由于对机器人的设计受到各种环境因素影响，而少量的实验不能对方案进行有效认证，所以需要在考虑各种不同影响因素的情况下进行大量实验，这就导致消耗大量的人力、物力以及时间，进而导致了物资和劳力的损耗。而虚拟样机技术的出现大大改善了这一现状，现在我们可以在计算机中模拟不同的现实环境因素进行机器人实验，这样在虚拟样机构建的环境中对虚拟仿真的模型进行设计可以大大节约大量人力、物资以及时间成本，进而缩短机器人试验的研发周期等等，这让研究优化的进程变得更加的快速。因此，通过虚拟仿真分析来优化设计机器人是目前最为高效且实用的方案。1.3论文研究内容和主要工作（1）根据课题要求选取一个符合要求的工业机器人，分析该机器人的机构形式。（2）根据所选机器人本体的结构形式利用SolidWorks建立机器人三维模型，对机器人主体的部件分析、简化，建立简化后的主体关键承载部件的三维模型。本文的虚拟仿真分析采用机械设计基础、机械原理、工业机器人等多门专业知识，借助专业的计算机仿真软件SolidWorks、ADAMS在计算机虚拟环境中对ABB公司的IRB1410型六自由度关节机器人进行虚拟仿真分析。在规划设计了此机器人的运动轨迹路线后对这个六自由度机器人进行了运动学以及动力学的分析。采用仿真分析软件ADAMS对设计的机器人虚拟样机的动作轨迹进行仿真实验并读取其的运动学及动力学特性。1.4论文组织结构本论文中共有5章内容：第l章，介绍了目前在工业机器人领域国内和国外发展状况以及将来的发展趋势，并且对本文研究来源以及主要工作进行了介绍。第2章，对虚拟样机技术和SolidWorks软件进行了简要介绍，根据ABBIRB1410机器人的参数在SolidWorks软件中建立了简化的机器人模型，随后将模型以parasolid格式导入ADAMS中，在ADAMS中设置好了虚拟样机的参数属性。第3章，本章进行了机器人的运动学仿真分析，首先介绍了ADAMS软件，在ADAMS软件中设置好导入的机器人三维模型各个部件之间的约束和驱动后进行运动学仿真。随后介绍了关于怎么去描述机器人的空间位姿以及怎样去实现其坐标系变化，举出了D-H法建立机器人的连杆坐标系模型，最后根据正向运动学方程求解对所做机器人轨迹进行了简单验证。第4章，机器人的动力学分析，借助ADAMS的动力学求解来读出所做机器人仿真动作时大臂和弹簧的动力学曲线，用后处理模块导出后对曲线进行了简单分析。第5章，总结了全文所做机器人仿真分析的结论与意义，提出了当前所做的仿真和分析的不足并对将来的工作进行了展望。1.5本章小结本章主要对工业机器人目前的国内外发展以及市场现状进行了系统介绍，随后对国内焊接机器人的市场需求进行了简单分析。然后说明了本文的课题来源和研究意义，以及本文所做的主要研究内容和主要工作，最后介绍了本文的组织结构。

第2章机器人虚拟样机建模2.1虚拟样机技术简述对虚拟样机的相关研究起始于上世纪末，基于计算机技术、CAD建模技术的一种在设计开发产品过程中优化产品设计过程和产品性能的新兴技术。研究人员通过计算机辅助设计（CAD）系统建立的构件信息，在微机上对零部件之间的关系进行定义，再通过对机械系统的模拟装配，获取机械系统的虚拟样机模型。再在构建的虚拟样机模型基础上，使用仿真分析软件设定不同的条件对虚拟样机模型进行模拟动作，在模拟的环境下分析不同条件下机械系统的运动状况。2.2用SolidWorks对工业机器人建模2.2.1SolidWorks简介Solidworks这一款三维CAD系统是首个基于微软系统开发的。SolidWorks不仅容易上手，适合设计创新而且功能强大，是目前市面上主流的三维CAD解决方案。SolidWorks的易用性建立在其基于Windows开发的优势，只需要用户熟悉Windows系统就能短时间上手SolidWorks独特的拖拽功能来完成对零配件的设计装配，这一强大的功能对于工程师和设计者而言提供了一个操作简易方便并且易上手的设计平台，使用SolidWorks能在较短的时间来完成更多的设计。SolidWorks还拥有另一个强大的功能是SolidWorks资源管理器，其工作原理类似于Windows的资源管理器，这样的CAD文件管理器就可以更加方便快捷地管理设计的CAD文件。SolidWorks还具有庞大的用户群体，是目前用户最广并且最好用的三维CAD软件，这一切都是基于它通过Windows平台开发，并且采用了parasolid内核的缘故。它有简洁直观、容易上手的设计还能与第三方软件具有良好的兼容性，所以越来越多的企业雇佣擅长使用SolidWorks的人才，国内外许多知名高校也陆续开展SolidWorks应用的教学课程。2.2.2机器人部件介绍工业机器人的机械构造系统一般主要由机座、臂部、腰部、手部和腕部五个部分组成，ABBIRB1410的主要部件的组成和功能如下所示：机座：也称作底座，机器人的机座是支撑机器人本体的部件，主要分为固定式和移动式两大类。顾名思义，移动式的机座一般都是增加机器人的活动范围，使其具有一定的便捷性，因此机座需要具有相应的刚度以及稳定性来支撑本体的移动，所以一般都具有驱动电机和传动装置等，固定在基座内部用来支撑机器人本体。腰部：腰部是用于连接工业机器人臂部和机座的回转部件，通过腰部回转部件和臂部的运动使机器人的腕部随之进行空间动作。由于腰部是工业机器人执行部件的关键组成部件，一般都需要较高的定位精度、运动精度和平稳性，所以对于机器人的腰部需要有较高的制造精度，这是决定工业机器人好坏的重要因素。腰部中也包含了驱动电机、传动机构等。臂部：工业机器人的臂部是连接腰部和腕部的组成部件，用来支撑工业机器人的手腕部分，可实现大范围的空间运动。工业机器人的臂部一般都由大臂和小臂两部分组成，由于机器人的臂部质量较大，受力情况比较庞杂，机器人进行动作的时候，会受到其他各个部件的负载作用，在高速运动下还会产生巨大的惯性作用，导致冲击会影响到机器人的定位精度。大臂用来连接小臂和腰部，是机器人关键的传动装置之一。主要由大臂外壳、传动装置和驱动电机组成。小臂是连接大臂和腕部的部件，主要包括小臂外壳、传动装置等。腕部：机器人的腕部用来连接其手部、臂部，起支撑手部的作用。腕部一般都具有较高自由度数，其所需要的自由度数视工业机器人所需的工作性能而定。有些情况下机器人的腕部会具有旋转、俯仰或者翻转和偏转两个自由度。腕部主要由腕部外壳、传动装置和驱动器等组成。末端执行器：工业机器人的手部也叫作末端执行器，装在机器人腕部上用于抓握工件进行工作。手部一般决定了工业机器人是否具有高质量作业或者作业柔性好坏。手部可以类似人手具有手指，也可以不具备手指而类似手爪，亦或是用来执行某种专业作业的特殊工具比如焊枪、喷枪等，根据工作原理的不同，手部的形态结构也各不相同。ABBIRB1410焊接机器人的末端执行器是焊枪，主要用来焊接、涂胶以及轻载取放工作。下图是ABBIRB1410机器人图2-1ABBIRB1410关节一关节二关节三关节四关节五关节六最大转速120°120°120°280°280°280°工作范围+170°~-170°+70°~-70°+70°~-65°+150°~-150°+115°~-115°+300°~-300°表2.1机器人关节参数ABBIRB1410机器人各部件参数如下图图2-2机器人部件参数1图2-3机器人部件参数2原有机器人结构比较复杂，在不影响虚拟仿真分析的前提下，在SolidWorks建模过程中对原有的部件进行了一定程度的简化，保留了六自由度关节机器人的主要部件，模型的主要部件有底座、腰部回转部分、大臂、小臂、连杆、腕部、手部等等。2.2.3三维建模这里选取机器人的大臂部件建模过程进行展示1选取xz平面为基准面2绘制草图3凸台拉伸4绘制草图5凸台拉伸6绘制草图7凸台拉伸8绘制草图9凸台拉伸10草图绘制11切除12草图绘制13切除14草图绘制16切倒角将各个部件装配完成后的三维模型如下图所示。图2-4转配后的机器人模型2.3将模型导入ADAMS由于在ADAMS中给机器人三维建模难度较高并且费时，所以本文中采取了在SolidWorks中给六自由度关节机器人建模后再导入ADAMS，最后在ADAMS/View模块中对导入的三维模型添加约束、力、驱动等的方案来完成虚拟样机的构建。SolidWorks支持多种方式的数据导入导出，在将SolidWorks中的三维模型导入ADAMS时，一般采取将模型转换为Parasolid格式导入，这样导入的模型其各个零件的属性不会丢失，各构件的质心会被标记出来，并且模型中的几何体可以进行布尔运算操作来优化三维模型。将机器人模型导入ADAMS的具体环节如下：在SolidWorks中把建好的机器人三维模型选择为Parasolid的格式，然后再保存，就可以转换为Parasolid格式的文件。图2-5将三维模型以Parasolid格式另存打开ADAMS中的ADAMS/View模块，打开菜单选择导入数据库，再将文件读取格式选为Parasolid格式打开保存好的三维模型的地址。下图是以Parasolid格式打开机器人三维模型和导入ADAMS的六自由度关节型机器人模型。图2-6将文件以Parasolid格式保存图2-7导入ADAMS的机器人三维模型2.4设置虚拟样机参数对导入的机器人三维模型需要对ADAMS的仿真环境进行设置的修改：设置重力在设置菜单中选择重力，把重力加速度设为初始值，朝Z轴负半轴。图2-8设置重力参数布尔操作导入ADAMS中的机器人三维模型的部分部件分离，需要进行布尔操作将其合并为一个构件，避免仿真运算错误。对各构件的属性编辑通过菜单的表格编辑器对各个零配件的属性进行编辑。图2-9设置零件属性2.5本章小结本章介绍了仿真对象ABB公司生产的IRB1410弧焊机器人的各主要部件的功能以及构成。然后对虚拟样机技术和SolidWorks软件进行了介绍。利用SolidWorks对选取的机器人本体建立了简化的三维模型，其中展示了机器人大臂在SolidWorks中的建模过程。将装配好后的机器人模型导入ADAMS中设置了虚拟样机参数。

第3章机器人运动学仿真分析3.1ADAMS简介ADAMS是一款机械系统动态仿真分析软件，是目前全球应用最为普遍的一款仿真软件，利用先进的数值分析技术和多体动力学求解技术来对模拟的机械系统进行运动学、动力学的分析。精确的计算载荷和作用力在各种运动和不同的使用场景下的变化。分析的结果以曲线或者动画的形式直观的反映出机械系统的性能。ADAMS包含了三个最基本的模块：ADAMS/View、ADAMS/Solver和ADAMS/PostProcessor以及其他拓展模块。ADAMS/View模块是ADAMS软件中最常用的模块，并且具有丰富的约束，可以对具有各种几何体间添加碰撞副、旋转副等以及自动定义接触力；具有实用的Parasolid输入/输出格式，可以将多种格式的文件转换为Parasolid文件；具有快速绘图功能，在此模块中建模快速简单；具有精确的几何定位功能，能创建模型的过程中精确地控制模型、输入对象的位置、坐标。ADAMS/Solver在ADAMS软件中是作为软件仿真的强大数学分析器，此模块提供软件的动力学、运动学运算结果，用来解决各种力学应用问题。ADAMS/PostProcessor模块是ADAMS的后处理模块，能够在同一界面内同步显示虚拟三维模型仿真的动画和曲线图，这使得模型仿真结果能更直观展示位动画和各种数据曲线，以便于用户对输出的数据进行编辑。3.2ADAMS仿真步骤3.2.1添加约束导入ADAMS/View的机器人三维模型的主要部件为底座、腰部回转部分、大臂、小臂、手腕、末端执行器等组成。根据各个构件的运动关系，对导入的六自由度关节机器人模型设置运动副。用固定副将底座和Ground连接起来，用两个弹簧力把腰部和小臂部件连接起来，其他部件则都用转动副约束连接。图3-1设置弹簧力下表是主要部件间的约束关系。表3.1各个主要部件的约束关系约束约束类型约束对象Joint_1固定副大地和底座Joint_2旋转副底座和腰部回转部分Joint_3旋转副腰部回转部分和大臂Joint_4旋转副大臂和小臂Joint_5旋转副小臂和腕部Joint_6旋转副腕部和末端执行器Joint_7旋转副末端执行器设置好约束的机器人模型如下图图3-2添加好约束后的机器人模型3.2.2添加驱动在设置好个部件间的约束后，再给模型加上驱动，给其设定时间函数让机器人模型能进行预期的规则运动。给关节1转动副添加运动副驱动，设定它的驱动方式是转动。其他关节以此类推，各个关节的驱动函数如下：关节1：STEP(time,0,0,8,30d)+STEP(time,8,30d,16,-30d)关节2：STEP(time,0,0,8,30d)+STEP(time,8,30d,16,-30d)关节3：STEP(time,2,0,14,180d)关节4：STEP(time,2,0,8,15d)+STEP(time,8,0,14,-15d)关节5：STEP(time,0,0,8,-20d)+STEP(time,8,0,16,20d)关节6：STEP(time,0,0,8,10d)+STEP(time,8,0,16,-10d)图3-3设置腕部关节的驱动函数将设置好驱动的机器人模型开始仿真，仿真的轨迹图如下：图3-4机器人轨迹路线3.3机器人运动学分析3.3.1空间位姿描述和坐标系变换机器人运行时需要获取机器人各个部件的姿态和位置的状态，才能驱动机械臂上的连杆关节让其关联的相应构件在空间中动作到预定的目标位置，这个过程被简称为位姿。通过在空间构建坐标系来形容空间物件的位姿状态，根据形容其每个构建之间相互的位姿关联，然后计算出机器人固定坐标系和末端坐标系之间关系。用根据解析几何的知识，我们可以通过3个单位矢量来定义一个物体在空间坐标系中的位置：（3.1）形容物体的状态不单单要知道它在空间中的位置，也需要得出它的姿态信息。我们可以使用旋转矢量的方法来描述物体在空间的姿态。在图3-6中，假设物体上存在一个坐标系｛B｝，那么这个坐标系相对于另一个参考坐标系｛A｝的三个单位主矢量可以能确定坐标系｛B｝之于坐标系｛A｝的旋转矩阵，此矩阵用表示。图3-5点在空间中的位置图3-6物体在空间中的姿态(3.2)通常情况下，我们把物体在其坐标系中围绕坐标轴X、Y、Z旋转角的旋转变换R（X,）、R（Y，）、R（Z，）叫作基本旋转变换，其余旋转变换都能根据基本旋转变换转换后得到。（3.3）对于机器人的运动学研究问题中，经常需要把同一个矢量在不同的坐标系中变换。所以我们可以根据数学中学习的映射的方法，来表达一个矢量从一个坐标系到另外一个坐标系的变换映射。图3-7坐标系平移变换当某个坐标系在空间中在姿态不变的情况下运动，叫作平移。物体坐标系在此状态下方向向量维持方向不变，全部的变换都是原坐标系原点相对于固定坐标系发生的变换。因此，这个坐标系新的位置相对于固定参考坐标系能用该坐标系的原点向量和表示位移的向量求得。（3.4）当坐标系｛A｝、｛B｝的位置相同、姿态不同时，可以通过旋转矩阵进行描述。（3.5）图3-8坐标系旋转变换3.3.1机器人运动学分析的意义工业机器人末端部分相对于底座的位置和姿态与工业机器人各个连杆之间的相互关系直接相关。出于便于数学分析的目的，通常把连杆和关节按照空间顺序进行编号。选取一个和底座固定连接的坐标系，称作固定坐标系，并且给所有连杆（包括末端部分）取一个与之关联的坐标系，称之为连杆坐标系。通常情况下，底座也是一个连杆，作为零号连杆。这样，连杆之间的关系就能用连杆坐标系互相的联系来描述。工业机器人手部相对于底座的位置和姿态就是固定连接在手部的坐标系相对于固定坐标系的位姿。设置机器人的运动轨迹需要清楚机器人末端部分的位姿。那么算出机器人末端部分的位置及其姿态就需要得到机器人每个关节部位的动作和末端部分的位姿的联系，然后根据这个来构建机器人系统的数学模型，进而达成控制机器人末端位姿的目的。3.3.2机器人运动学分析方法多自由度数的机器人是具备多个运动关节的空间机构，出于确切形容末端执行器在空间中位姿的目的，假设机器人由一系列的连杆、关节组成，那么对机器人建模，就要给每个关节设置一个固定的参考坐标系。比较常见构建坐标系的方法有D-H法由Denavit和Hartenberg两人提出的用于构建相对位姿关系的通用矩阵。下面主要以D-H法来建立机器人连杆坐标系并计算此机器人的正向运动方程。图3-9定义相邻连杆坐标系机器人的每个关节部位都需要设立z轴和x轴，y轴一般不需要指出，y轴一般垂直于x轴和z轴。下面是各个关节设置坐标系的具体方法。每个关节都用z轴来表示，如果是旋转的关节，那么z轴就是右手规则旋转的方向；若是滑动的关节，那么z轴就是直线的方向。对于旋转的关节，绕z轴的旋转角是关节变量；对于滑动关节，沿着z轴的连杆长度d是关节变量。一般情况下关节不一定平行或是相交，所以z轴通常是斜线。在任意两条斜线间取一条最短的公垂线，在公垂线方向上定义本地参考坐标系的x轴。相邻关节之间的公垂线不一定相交或共线，两相邻坐标系原点的位置也不一定在同一个位置。若两个关节的z轴相互平行的情况，可以随便选取一跳和前一个关节公垂线共线的一条公垂线。如果两相邻的关节之间的z轴相交，它们之间就不存在公垂线（或者说它们之间公垂线距离为零）。这时候能把垂直于两条轴线所构成的平面上的任一直线作为x轴。根据上述步骤可以建立机器人坐标系如图：图3-10机器人连杆坐标系各个连杆的参数以及关节变量如下表关节mmmm1-90°02=600180°0390°040-90°=7205090°0600表3.2连杆参数及关节变量3.3.3运动学正解机器人运动学分析一般有两种，正向运动学方程和反向运动学方程。运动学正向方程是已知各个关节变量的前提下求解机器人末端位置相对固定坐标系位姿的问题；机器人的正运动学方程用于求取末端位置点在几何空间中的位置和姿态问题，但是生活中往往是在知道机器人的末端位置和姿态的情况下来求解机器人应该怎样变成该位姿的问题也就是计算机器人各个关节间转动角与时间的变化关系的问题。反向运动学是在已经明白末端要到达的位姿的情况下，解决如何求出关节变量的问题，也称为求运动学逆解。机器人的反向运动学方程是研宄通过机器人末端部位在空间中的位姿来计算各个关节的转角问题，也就是通过笛卡尔直角坐标空间变换关节坐标空间的问题。机器人反向方程对机器人控制方向具有十分重要的意义，运动学方向方程的准确性和计算速率的高低是决定工业机器人控制的实时性及可靠性的重要因素之一。在本文中，主要运用正向运动学求解来对机器人进行运动学分析。在笛卡尔坐标系中，可以用齐次矩阵来表示x、y、z三个方向的绕轴旋转以及平移。把以上的矩阵的表达式相乘就可以得出机器人末端执行器相对于固定坐标系的空间位姿信息，也就是运动学正解方程。（3.6）式子中矩阵展开如下：式中3.3.4ADAMS后处理通过ADAMS/PostProcessing模块对机器人三维模型进行后处理来读取其运动学、动力学曲线。腕部质心位移X/Y/Z方向变化曲线图3-11腕部位移变化曲线图中红色的实线表示腕部x方向位移，y、z方向分别用长虚线和短虚线表示。从图中我们可以得知，在时间t=0时，机器人处于初始位置，它x，y,z三个方向的位移分别是0，0.4，0.9（单位：m）。腕部质心速度X/Y/Z方向变化曲线图3-12腕部速度变化曲线图中实线表示x方向速度，长虚线表示y方向的速度，z方向用短虚线来表示。从导出的曲线图中可以看出，当时间t=0的时候，x、y、z方向的速度都是0；x方向速度的最大值是0.13，y方向速度的最大值是0.09，z方向速度的最大值是0.076（单位：m/s）。腕部质心加速度X/Y/Z方向变化曲线图3-13腕部加速度变化曲线上图图中x方向的加速度用实线表示，y方向的加速度用长虚线表示，z方向用短虚线表示。从图中可以发现，x、y、z三个方向的加速度最大值分别是0.075，0.075，0.05（单位：m/s²）。3.3.5运动学方程验证如果要计算末端执行器相对于固定坐标系的位姿，需要计算末端执行器的位姿变化矩阵。取初始位置：。把的初始值代入公式中可得:（3.7）这与仿真机器人初始位姿初始相同，末端位置都为x=955m，y=0mm,z=720mm证明推算是正确的。由此我们可以推断，根据某一时刻，机器人关节变量就可以求出机器人的末端执行器在空间坐标系中的位姿，这就是机器人正向运动方程。从上述情况可以看出，ADAMS对机器人的运动学分析的精度是很高的，可以有效地帮助我们研究机器人的运动。3.4本章小结本章介绍了ADAMS及其几个主要模块的功能，然后给SolidWorks建立后导入ADAMS的机器人三维模型添加了约束和驱动，并写入了驱动的时间函数，完成了运动学、动力学仿真后在ADAMS/PostProcessing模块中对机器人三维模型进行后处理后获得了腕部质心的位移、速度、加速度XYZ三个方向的变化曲线。完成了基于ADAMS仿真分析软件对六自由度关节机器人的运动学仿真分析，并且根据正向运动学方程对初始位置的机器人末端位姿进行了计算，得出了任一时间部件位移、速度变化和末端位姿的变化关系，验证了运动学方程。

第4章机器人动力学仿真分析4.1机器动力学分析的用处工业机器人可以认为是一种将一系列连杆用关节连接起来的开链结构。前文研究分析了机器人运动学，工业机器人运动学是研究机器人在处于相对稳定环境下进行的，用来研究各连杆之间的位移、速度和加速度各自的相互关系，这是处于静力平衡的作用下对机器人进行计算的。但是在实际的工业机器人应用中，往往是需要在动态的过程中对机器人进行研究的，大部分现实中的工业机器人问题研宄是变化的。机器人是一个时刻动作的一个受到外界多种因素影响的动力装置系统，是一种多参数变量的非线性系统。机器人的动力学研究主要针对机器人的速度，加速度等物理量与机器人所受的力之间的关联，通过机器人在运行过程中到达预定位姿的速度、加速度等来计算各个关节的驱动力。4.2机器人动力学的研究方法在对于机器人运动学的研究过程中，尚且没有涉及到研究机械臂的运动轨迹与机械臂受力间的关系。这些主要实在机器人动力学中研究，机器人动力学主要涉及机械臂的运动轨迹与力之间的影响。在实际生活中这对于机器人操控和研究设计起到了重要影响。通过对动力学方程的推算，有助于我们在机器人设计的时候选择驱动装置，并且应用在机器人的仿真中。关于机器人动力学方程的建立有多种方法，本文主要采用了拉格朗日法。4.3机器人惯性参数定轴转动机器人可以用惯性张量来表达机器人的刚体质量分布。机器人的惯性参数分为两种，其中有传动系统的惯性参数以及机械臂的惯性参数。惯性张量是用来描述刚体质量的一种物理量。当一个构件连续可积的时候，可以表示出这个构件相对于固定坐标系的惯性矩I。这个惯性矩阵是3×3的9个分量分布，惯性矩阵也是对称矩阵，其分别可以对应于固定坐标系的转动惯量和轴的惯量积。I=（4.1）如果能在一定的变化下让惯性积均为零，那么这个矩阵就是主惯量矩。我们可以根据ADAMS中建立的机器人模型来求取机器人各个关节的主惯量矩。下表是给所建机器人模型添加材料属性后，利用ADAMS的自动求解功能所得出的各个关节的主惯量矩。表4.1机器人各个关节的主惯量矩关节（kg-mm²）（kg-mm²）（kg-mm²）17.6530501365.54148804222.698850367429.78306963846.38952923346.074201135332.33549663282.32407169830.15314989014815970256160.180983251652.8184209219E-031.9732590197E-031.1348754208E-0364.2414069673E-052.2811517623E-052.1893047781E-054.4机器人动力学仿真机器人的关节角速度、角加速度的变化只和机器人的构造关联，与构造体的质量无关。在求解机器人驱动力矩和其位姿的关系时，除了手动计算之外可以通过ADAMS对机器人进行动力学分析来给机器人的结构分析、电机的选择等等提供理论支撑。4.4.1求解器选择对于在ADAMS中的动力学仿真，求解器的选择将影响到仿真的最终结果，将求解器设置为GSTIFF。动力学求解器的选择如下图所示:图4-1求解器选择依据图4-2设置求解器4.4.2动力学仿真利用ADAMS的后处理模块ADAMS/Postprocessor导出对机器人大臂关节位置的测量曲线数据进行分析。机器人仿真后得到的大臂关节的加速度值、角角速度值、力矩值以及弹簧形变、形变速度、力随时间的变化曲线图如下图所示。（1）大臂关节X、Y、Z三个方向的角速度值、角角速度值图4-3大臂角速度、角加速度变化曲线（2）大臂关节处的力矩变化曲线图4-4大臂力矩变化曲线（3）弹簧形变、形变速度、力变化曲线图4-5弹簧变化曲线通过仿真动画及测量的关节数据，我们能够发现机器人角速度值随时间的变化十分稳定，相对变化比较平滑。但是当机器人开始运行动作的时候，关节的角加速度和力矩值发生了突变，这应该是因为机器人从直线运动到开始动作时轨迹发生了较大的变化，这种情况下该部位的电机要很大的力矩才能够让机器人朝预定的方向运行。这说明对于机器人在某些特殊情况下进行的动力学的仿真，可以对机器人在特定的关节角度和角速度以及角加速度的变化来研究，也能够求解出特定情况的机器人的最大力矩。但是由于这是基于特殊情况下的仿真，所以求得的最大的力矩可能并不能真实准确的反映实际机器人运行中所有情况。4.4.3驱动函数优化在上面的ADAMS测量曲线中可以发现在某一时刻关节的加速度和力矩值发生了突变，往往这种情况会对机器人的驱动电机造成较大的负载，加速机器人内部设备的老化，所以在后续设计中优化了机器人大臂、腰部关节处的驱动函数，将三个关节处的驱动函数由角位移的形式转为了角速度形式，使机器人在运行指定轨迹时力矩变化更加平滑。图4-6切换驱动函数类型优化后的驱动函数见下表：关节驱动函数关节1STEP(time,0,0,2,10d)+STEP(time,2,0,4,-10d)+STEP(time,4,0,6,-10d)+STEP(time,6,0,8,10d)关节2STEP(time,0,0,2,-5d)+STEP(time,2,0,4,5d)+STEP(time,4,0,6,5d)+STEP(time,6,0,8,-5d)关节3STEP(time,0,0,2,15d)+STEP(time,2,0,4,-15d)+STEP(time,4,0,6,-15d)+STEP(time,6,0,8,15d)优化后的大臂关节处角速度、角加速度以及力矩曲线如下图：图4-7优化后的大臂角速度、角加速度曲线图4-8优化后的大臂力矩曲线4.5本章小结介绍了动力学分析对于机器人研究的意义和用处，根据ADAMS中建立的机器人模型可以求取机器人各个关节的主惯量矩，利用ADAMS的自动求解功能所得出的各个关节的主惯量矩。将求解器设置为动力学，利用ADAMS软件对所做机器人仿真动作进行了动力学分析仿真，通过后处理模块导出了大臂和弹簧的动力学分析曲线，并对曲线进行了分析，最后根据曲线对机器人的驱动函数进行了优化，得到较为平滑的力矩曲线。第5章结论与展望5.1论文结论机器人目前在工业等领域的广泛应用已经引起了机械、自动化控制、人工智能等领域研究人士的注意，这使得对于机器人的各方面要求也在日益提升，比如精确性、即时性、稳定性等等。本文中所选取的工业机器人是ABB公司制造生产的一种六自由度的关节型机器人，是当前在工业方面的领域中使用比较广的串联型机器人，这类机器人有着结构简单、成本低廉、控制简易和运动空间范围广泛的优点，本文对选取机器人进行了简略化设计，最后对设计出的工业机器人主要部件用SolidWorks建立了三维模型，用ADAMS分析了这个模型的运动学和动力学特性。这对于机器人动作的轨迹路线的计算、运动学和动力学方面的仿真很有研究的价值，对于机器人的实际使用也很有帮助。综合本文各章内容，现将本文的有关结论总结如下:根据IRB1410型机器人性能参数，利用Soli