毕业论文-工业机器人三维设计与运动分析25966.doc

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1、毕业设计（论文） - I - 工业机器人三维设计与运动分析工业机器人三维设计与运动分析 摘摘 要要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产 过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认 同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自 动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并 且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合设计要求，设计了一种小型的、 固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。首先，针对机器人的设计要求提 出

2、了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计；同时进 行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，写出运动学方程。这些工作为 移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。 最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析， 对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了经验。 关键词关键词：机器人；运动学分析；工作空间分析；虚拟样机技术 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 II Industrial Robot Of 3D Modeling And Analysis Of The Movement ABSTRACT In the mo

3、dern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality. As an important part of the automation production line, industrial robots are gradually approve

4、d and adopted by enterprises. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the jops of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually don

5、e repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project, the author have designed a kind of small-size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construc

6、t a mobile robot.Write the kinematics equation，These works provided a basis to the structure design , kinematics analyse and control. At last, the robot arms kinematics was simulated by using software ADAMS, and the simulation result was analyzed. In the experiment, the author tried to use the virtu

7、al prototyping technology in mechanism design. keywords: Robot; Kinematics Analysis; Working Space Analysis;Virtual Prototyping Technology 毕业设计（论文） - III - 目目 录录 引引 言言.- 1 - 第第 1 章章 绪论绪论.- 2 - 1.1 机器人概述- 2 - 1.2 机器人的历史、现状- 2 - 1.3 机器人发展趋势 - 4 - 1.4 研究课题的提出- 4 - 1.5 本论文研究的主要内容 - 4 - 第第 2 章章 工业机器人总体方案

8、的确定和机械系统设计工业机器人总体方案的确定和机械系统设计.- 5 - 2.1 工业机器人相关知识点- 5 - 2.2 工业机器人总体方案的确定- 6 - 第第 3 章章 运动学分析运动学分析.- 12 - 3.1 工业机器人连杆坐标系的建立.- 12 - 3.2 工业机器人运动学方程- 13 - 第第 4 章章 基于基于 ADAMS 的运动学仿真的运动学仿真 - 17 - 4.1 ADAMS 功能介绍.- 17 - 4.2 基于 ADAMS 的机器人运动学仿真.- 18 - 4.3 ADAMS 环境下 6 自由度机器人的动力学仿真分析.- 21 - 结论与展望结论与展望.- 28 - 参考文

9、献参考文献.- 30 - 附附 录录.- 31 - 附录 A 外文文献及其译文- 31 - 附录 B 主要参考文献摘要- 38 - 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 IV 插图清单插图清单 图 2- 1 手臂的几种结构构型.- 6 - 图 2- 2 末端执行器空间运动姿态.- 7 - 图 2- 3 手腕的 4 种形式.- 7 - 图 2- 4 工业机器人的总体构型.- 8 - 图 2- 5 机械手手指形状.- 9 - 图 2- 6 机械手机构简图.- 9 - 图 2- 7 工业机器人总体模型图.- 10 - 图 3- 1 工业机器人连杆坐标系.- 13 - 图 4- 1 将文件导入到 ADA

10、MS 中 - 19 - 图 4- 2 6 自由度机器人的虚拟样机模型.- 20 - 图 4- 3 处理后机器人的虚拟样机模型.- 21 - 图 4- 4 末端点在 X 方向上的位移曲线- 21 - 图 4- 5 末端点在 Y 方向上的位移曲线- 22 - 图 4- 6 末端点在 Z 方向上的位移曲线 - 22 - 图 4- 7 末端点在 X 方向上的速度曲线- 22 - 图 4- 8 末端点在 X 方向上的速度曲线.- 23 - 图 4- 9 末端点在 X 方向上的速度曲线- 23 - 图 4- 10 末端点在 X 方向上的加速度曲线- 23 - 图 4- 11 末端点在 Y 方向上的加速度曲

11、线- 24 - 图 4- 12 末端点在 Z 方向上的加速度曲线 - 24 - 图 4- 13 中间点在 X 方向上位移曲线- 24 - 图 4- 14 中间点在 X 方向上位移曲线- 25 - 图 4- 15 中间点在 X 方向上位移曲线- 25 - 图 4- 16 中间点在 X 方向上速度曲线- 25 - 图 4- 17 中间点在 Y 方向上速度曲线- 26 - 图 4- 18 中间点在 Z 方向上速度曲线 - 26 - 图 4- 19 中间点在 X 方向上加速度曲线- 26 - 图 4- 20 中间点在 Y 方向上加速度曲线- 27 - 图 4- 21 中间点在 Z 方向上加速度曲线 -

12、 27 - 毕业设计（论文） - V - 插表清单插表清单 图 3- 1 工业机器人连杆坐标系 - 12 - 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - 1 - 引引 言言 工业机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作 业的机电一体化生产设备 1 。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。典型的工业机器人如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多固定在生产线 或加工设备旁边作业, 随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深, 机器人技术开 始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。研究

13、和设计各种用途的机器人特别是工业 机器人、推广机器人的应用具有现实意义。 工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技 术于一体的现代制造业重要的自动化装备。工业机器人的诞生可显著提高劳动生产率、 改善作业环境等。所以本课题的研究具有很强的实用意义， 本课题研究的主要内容：对工业机器人进行总体结构设计；绘制各零部件的二维 图及装配图；利用 ADAMS 进行运动分析。 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 2 - 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 机器人概述 在现代工业中，生产过程的机械化、自动化已成为突出的主题。化工等连续性生 产过程的自动化已基本得到解决。但在机械

14、工业中，加工、装配等生产是不连续的。 专用机床是大批量生产自动化的有效办法；程控机床、数控机床、加工中心等自动化 机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法。但除切削加工本身外，还有 大量的装卸、搬运、装配等作业，有待于进一步实现机械化。机器人的出现并得到应 用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。 “工业机器人” （Industrial Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、 搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机器人或通用机器人） 。机器人是一种具有 人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机器人具有结构简单、成本低廉、 维修容易的优势，但功能较少，适应性较差

15、。目前我国常把具有上述特点的机器人称 为专用机器人，而把工业机械人称为通用机器人。 简而言之，机器人就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置， 或按照工作要求以操纵工件进行加工。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，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装 置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物 理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称 为操作机（Manipulator） 。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

16、月球等。工业中采用的锻造操作 机也属于这一范畴。第三类是专业机器人，主要附属于自动机床或自动生产线上，用 以解决机床上下料和工件传送。这种机器人在国外通常被称之为“Mechanical Hand”， 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，因此是专用的。 机器人按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机器人以其结构紧凑， 所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些 特点，成为机器人中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机器人的本体部分都采 用这种机构形式的机器人。 1.2 机器人的历史、现状 机器人首先是从美国开始研制的。1958 年

17、美国联合控制公司研制出第一台机器人。 它的结构特点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 是示教型的。日本是工业机器人发展最快、应用最多的国家。自 1969 年从美国引进两 种典型机器人后，大力从事机器人的研究。 目前工业机器人大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开 环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机器人正在加 紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。 研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机器人具有感觉机能。第三代机 器人（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机

18、和电视设备保持 联系，并逐步发展成为柔性制造系统 FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 3 - - 单元 FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。 随着工业机器人研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃， 欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机器人会议 ISIR 决定每年召开 一次会议，讨论和研究机器人的发展及应用问题。 目前，工业机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、 品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使

19、用工业机器人代替人工操作的， 主要是在危险作业（广义的） 、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业 的环境。在国外机械制造业中，工业机器人应用较多，发展较快。目前主要应用于机 床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完 成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时， 就将引起零部件甚至机器人本身的损坏。 随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机器人系 统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机器人系统具有更大 的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计

20、 算机集成制造（CIM）要求机器人系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研 究人员为了提高机器人系统的性能和智能水平，要求机器人系统具有开放结构和集成 各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机器人系统多采用封闭结构的专用控制 器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机器人语言作为离线编程工 具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在 EPROM 中，这种专用系统很难（或不可 能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计， 多数情况下技术上是不可能的。解决这些问题的根本办法是研究和使用具有开放结构 的机器人系统。 美国工业机器人技术的发展，大致经历了以

21、下几个阶段： （1）1963-1967 年为试验定型阶段。1963-1966 年， 万能自动化公司制造的工业 机器人供用户做工艺试验。1967 年，该公司生产的工业机器人定型为 1900 型。 （2）1968-1970 年为实际应用阶段。这一时期，工业机器人在美国进入应用阶段， 例如，美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台工业机器人；1969 年该公司又自行研制 出 SAM 新工业机器人，并用 21 组成电焊小汽车车身的焊接自动线；又如，美国克莱 斯勒汽车公司 32 条冲压自动线上的 448 台冲床都用工业机器人传递工件。 （3）1970 年至今一直处于推广应用和技术发展阶段。1970

22、-1972 年，工业机器人 处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国工业机 器人会议。据当时统计，美国大约 200 台工业机器人，工作时间共达 60 万小时以上， 与此同时，出现了所谓了高级机器人，例如：森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用 小型计算机控制 50 台机器人的系统。又如，万能自动公司制成了由 25 台机器人组成 的汽车车轮生产自动线。麻省理工学院研制了具有有“手眼”系统的高识别能力微型机 器人。 其他国家，如日本、苏联、西欧，大多是从 1967，1968 年开始以美国的 “Versatran”和“Unimate”型机器人为蓝本开始进

23、行研制的。就日本来说，1967 年，日本 丰田织机公司 引进美国的“Versatran”,川崎重工公司引进“Unimate”，并获得迅速发展。 通过引进技术、仿制、改造创新。很快研制出国产化机器人，技术水平很快赶上美国 并超过其他国家。经过大约 10 年的实用化时期以后，从 1980 年开始进入广泛的普及 时代。 我国虽然开始研制工业机器人仅比日本晚 5-6 年，但是由于种种原因，工业机器 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 4 - 人技术的发展比较慢。目前我国已开始有计划地从国外引进工业机器人技术，通过引 进、仿制、改造、创新，工业机器人将会获得快速的发展。 1.3 机器人发展趋势 随着

24、现代化生产技术的提高，机器人设计生产能力进一步得到加强，尤其当机器 人的生产与柔性化制造系统和柔性制造单元相结合，从而改变目前机械制造的人工操 作状态，提高了生产效率。 就目前来看，总的来说现代工业机器人有以下几个发展趋势： a)提高运动速度和运动精度，减少重量和占用空间，加速机器人功能部件的标准化 和模块化，将机器人的各个机械模块、控制模块、检测模块组成结构不同的机器人； b)开发各种新型结构用于不同类型的场合，如开发微动机构用以保证精度；开发 多关节多自由度的手臂和手指；开发各类行走机器人，以适应不同的场合； c)研制各类传感器及检测元器件，如，触觉、视觉、听觉、味觉、和测距传感器等， 用

25、传感器获得工作对象周围的外界环境信息、位置信息、状态信息以完成模式识别、 状态检测。并采用专家系统进行问题求解、动作规划，同时，越来越多的系统采用微 机进行控制。 1.4 研究课题的提出 工业机器人固定在机床或加工中心旁边，由它们完成对加工工件的上、下料和装 夹作业，通过输送线运送工件，实现物流的运转。当所要加工的产品放生变化、工件 工艺流程改变时，就要调整柔性制造系统的布局。现在设想，将工业机器人固定在自 动引导车（AGV）上，改变自动引导车的轨迹，就可以适应工件和工件工艺流程的变 化，大大提高加工系统的柔性。此外，对于这类小型的机器人，在原理不变的情况下， 改变其结构，增强人机功能，将它固

26、定在小型的移动装置或直接与移动装置结合成一 体，就可以应用到日常生活中，如生活中物体的搬运、人员的看护等。因此，设计开 发这样一种可移动式、多自由度的小型机器人是有实际意义的。 1.5 本论文研究的主要内容 系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要 是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础上，结合作者本人的设想，和设 计工作中需要解决的任务，主要进行以下几项工作： （1）进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计。 (2) 进行机器人运动学分析。 (3) 分析机器人操作臂的工作空间，根据分析结果对操作臂各个杆件的长度 进行 选择和确定。 (4) 利用机械系统动

27、力学分析软件 ADAMS 对简化后的操作臂模型进行运动学仿 真，对在机械设计中使用虚拟样机技术进行尝试和探索。 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 5 - - 第第 2 章章 工业机器人总体方案的确定和机械系统设计工业机器人总体方案的确定和机械系统设计 2.1 工业机器人相关知识点 2.1.1 工业机器人的组成 机器人主要由驱动装置、控制系统和执行机构三大部分组成。 a).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

28、和气动装置，目前使用最 多的是交流伺服电机。 b).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。 c).执行机构 执行机构由腰部、基座、手部、腕部和臂部等运动部件组成。 1) 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

29、的定位精度有决定性影响。 2) 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。 3)手部 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。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。 4)腕部 腕部与手

30、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。 5)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。 2.1.2 工业机器人的分类 a）.按坐标形式分为:直角坐标式(代号 PPP)；圆柱坐标式(代号 RPP)；球坐标式 (代号 RRP)；关节坐标式(代号 RRR)，又称回转坐标式，分为垂直关节坐标和平面(水 平)关节坐标。 b).按驱动方式分为:电力驱动、液压驱动和气压驱动。电力驱动的驱动元件可以 是步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。液压驱动可以获得很大的抓取能 力(可抓取高达上

31、千牛力)，传动平稳，防爆性好，动作也较灵敏，但对密封性要求高， 不宜于在高、低温现场工作，需配备一套液压系统。采用气压驱动的机器人结构简单、 动作迅速、价格低；但由于空气可压缩而使工作速度稳定性差，抓取力小(几十牛力至 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 6 - 百牛力)。 c).按控制方式分为:点位控制和连续轨迹控制。点位控制方式简单，适用于上下 料、点焊、卸运等作业。连续轨迹控制比较复杂，常用于焊接、喷漆和检测的机器人 中。 2.2 工业机器人总体方案的确定 2.2.1 方案要求 由上所述，该设计工业机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常 生活中的持物、看护等。能够固定在移

32、动装置上，以实现灵活移动。要求动作灵活， 工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在 56 个，结构紧凑，重量轻。 2.2.2 本体结构设计 a）.自由度个数的确定与数分配 工业机器人的自由度个数是腕部和臂部的自由度个数之和，所以确定了腕部和臂 部的自由度个数确定了总的自由度个数。手腕的按自由度数可分为目前可分为单自由 度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕，通常要求腕部能实现对空间的三个坐标轴 X、Y、Z 的转动，既具有翻转、俯仰和偏转三个自由度。臂部自由度的确定，为了使 手部能达到工作空间的任意位置，手臂一般至少有三个自由度，少少数专用的工业机 器人手臂自由度少于三个。综上所述，本设计中工业

33、机器人的自由度数确定为六个， 其中腕部和臂部各三个。 b).臂部结构的设计 手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行器，并使它们 能在空间运动。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图 2-1： 图 2- 1 手臂的几种结构构型 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 7 - - 由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间 （手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧 凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结 构。 c).腕部结构的设计 手腕是操作机的小臂(上臂)和末端执行器(手爪)

34、之间的连接部件。其功用是利用 自身的活动度确定被末端执行器夹持物体的空间姿态，也可以说是确定末端行器的姿 态。故手腕也称作机器人的姿态机构。对一般机器人，末杆(即与末端执行器相联结的 杆)都有独立的自转功能，若该杆再能在空间取任意方位，那么与之相联的末端执行器 就可在空间去任意姿态，即达到完全灵活的境地。对于任一杆件的姿态(即方向)，可 用两个方位确定。如图 2-2： 图 2- 2 末端执行器空间运动姿态 本课题中所研究的工业机器人为了更加灵活的工作，采用了三个自由度。 。三自由 度的手腕通常有以下四种形式：BBR 型、BRR 型、RBR 型和 RRR 型。如图 2-3： 陈卓：工业机器人三维

35、设计与运动分析 - 8 - 图 2- 3 手腕的 4 种形式 B 表示弯曲结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度 有变化。R 表示转动结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间 角度不变。参考一些实例，本课题中选用 RBR 型。 d）.总体构型 综合以上对本课题所研究的工业机器人的设计，确定总体构型如图 2-4： 图 2- 4 工业机器人的总体构型 其中前三个关节决定了末端执行器在空间的位置，后三关节决定了末端执行器在 空间的姿态。 2.2.3 末端执行机构的设计 末端执行器是使机器人直接用于抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、 焊具、喷头等）进行操作

36、的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂 的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器 人末端操作器是多种多样的，大致可分为以下几类： （1）夹钳式取料手 （2）吸附式取料手 （3）专用操作器及转换器 （4）仿生多指灵巧手 本文设计对象为物料搬运机器人，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计能从 不同角度抓取工件的钳形指。 手指是直接与工件接触的部件。手指松开和夹紧工件，是通过手指的张开与闭合 来实现的。该设计采用两个手指，其外形如图 2-5： 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 9 - - 图 2- 5 机械手手指形状 传动机构是向手指传递运

37、动和动力，以实现夹紧和松开动作的机构。根据手指开 合的动作特点分为回转型和平移形。本文采用回转型传动机构。为本课题中所设计的 三维图如图 2-6： 图 2- 6 机械手机构简图 2.2.4 工业机器人的三维建模与各部件分析 由上所述，本文确定的方案为 6 自由度的工业机器人，具体关节结构由回转主体 具体关节结构由回转主体（腰关节） 、大臂（肩关节） 、小臂（肘关节） 、腕部（腕关节） 等几个部分组成。机器人回转主体实现机器人主体的回转，有固定底座和腰关节组成。 本方案采用电机驱动。这种驱动方式具有结构简单、易于控制、使用维修方便、 不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动方式。 为实现

38、机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电。电动机可以选择步 进电机或直流伺服电机。使用直流伺服电机能构成闭环控制，精度高，额定转速高， 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 10 - 但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，控制系统简单的优点。确定这种机器人的 6 个关节都采用步进电机驱动，开环控制。 在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴承和交叉滚子 轴承。这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可 承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点。但考虑到这些轴承价格昂贵， 而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结

39、构中仍然 全部采用球轴承。 在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭 矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构， 减少诱导运动。 第 1 个关节即腰关节的运动是由伺服电机传递动力和变速给腰关节产 生回转运动腰关节上伺服电机通过轮系驱动大臂的俯仰运动，另一个伺服电机通过 轮系驱动小臂的俯仰运动后 3 个关节的伺服电机驱动着手腕的回转、夹持器的摆动 以及夹持器的周转运动前 3 个关节 Jl、J2、J3 控制着机器人末端执行器的位置，而 后 3 个关节 J4、J5、J6 控制机器人末端执行器的姿态 本课题所设计的工业机器人负重能力为 6

40、kg，重复定位精度达O08 mm，参考 同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器人的运动参数如下： a).动作范围(最大运动速度) J1 轴 340(150s) J2 轴 250(160s) J3 轴 340(170s) J4 轴 380(4OOs） J5 轴 280(400s) J6 轴 720(520s) b).最大负荷：6kg c).连杆参数和关节变量 在完成对该工业机器人总体结构及参数分析确定以后，利用三维软件进行建模， 所建模型如下图： 图 2- 7 工业机器人总体模型图 1. 底座部件 2. 腰部回转部件 3. 大臂部件 4. 小臂部件 安徽工程大学机电学院毕业设计（

41、论文） - - 11 - - 5 手腕部件 6. 末端执行器 总体运动及各部件说明： 如上图所建模型所示，安装在腰关节的驱动电机驱动腰关节的回转。安装在大臂 与小臂关键额连接处的驱动电机驱动小臂做上下俯仰。机器人的腕部位于小臂臂体前 端，安装在小臂上的电机驱动小臂做上下俯仰。腕部的三个自由度由安装在腕部后端 达的 3 个电机，通过传动杆件腕部齿轮系实现，安装在腕部后端电机保证机器人末端 重量极可能的轻，满足机器人的配重法则。 (1) 底座部件： 底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引 导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动

42、传递到腰部回转轴，同时起到减速作用。 (2) 腰部回转部件：腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电 机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支架上固定着驱 动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。 (3) 大臂部件：包括大臂和传动部件。 (4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端（靠 近大 臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机。 (5) 手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。 (6) 末端执行器：用于抓取物体。 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 12 - 第第 3 章章 运动学分析运动学分析 3.1 工业机器人连

43、杆坐标系的建立 机器人的位姿描述包括位置和姿态的描述，即要确定其 3 个位置坐标(位置自由 度)和 3 个旋转坐标(姿态自由度)刚体的位置、姿态可由其上的任一基准点和过该点 的坐标系与参考坐标系的相对关系来确定，所以，对机器人进行运动学分析，具体讲 就是对机器人及其各部分建立坐标系，并分析各坐标系之间的关系，由此确定机器人 的运动规律闭由于齐次坐标是一种系统性及规范性都很强的方法，采用齐次坐标描 述机器人的各个机构，不仅有利于形成机器人运动的控制算法，也为机器人视觉的图 像处理提供了方便，是机器人的众多描述方法中较简单、统一的一种大多机器人资 料中都有关于齐次坐标的描述，这里不再赘述。 本课题

44、所设计的工业机器人实际上是由一个个转动关节连接起来的开链式连杆系 统，每个独立驱动的关节决定着机器人的一个自由度为了描述各杆件之间的关系， 需要在每一个杆件上设置坐标系。 目前较流行的坐标系建立方法是 DH 方法，是有 Denavit 和 Hartenberg 于 1955 年提出的一种为关节链中每一杆件建立附加坐标系的矩阵方法，是用齐次坐标系来描 述机器人各杆件相对于参考坐标系的空间几何关系，用 44 的齐次变换矩阵来描述相 邻两连杆 i 和 i-1 的空间几何关系，从而推到出机器人手抓坐标系相对于参考坐标系 的空间位姿坐标系。 本课题分析的六自由度机器人由基座、腰部回转部件、大臂、和腕部组

45、成，具有 六个转动自由度，根据 D-H 坐标系的规则和各杆件参数的求取原则，建立了该工业机 器人处于零点位置时的连杆坐标系，如图 3-1 所示。表 3-1 中列出了该工业机器人机 构的 D-H 参数。 图 3- 1 工业机器人连杆坐标系 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 13 - - 表 3- 1 机器人的 DH 参数 11 i1 i ii i i a 为连杆（）的长度； a 为连杆转角； d为沿关节i 轴线两个公垂线的距离，称为偏距； 为垂直于关节轴线的平面内两个公垂线的夹角，称为扭角 3.2 工业机器人运动学方程 已知机器人各关节转角或位移以及结构参数，求机器人末端执行器相对于

46、基础坐 标系的位置和姿态称为机器人运动学的正问题需要根据机器人操作机每个构件相对 于机器人机座坐标系的位置及姿态列出机器人的运动学方程。根据齐次坐标变换理论， 可知工具坐标系是从基坐标系到各个杆件坐标系之间的变换得到的。即： 式（1）是机器人正向运动方程，其中 1 n n M 为相邻干间的位资矩阵， 06 M 为机器 人末端执行件的位资矩阵。下面就用DH 方法求解运动学正解。根据齐次变换原理 和位姿理论得到各关节的位置矩阵如下： （1）绕 1 Z 轴转 1 角的坐标变换矩阵为： （2）绕 1 X 轴转动90角，沿 1 X 轴移动 1 a ，沿 2 Y 轴移动 2 d 绕Z2轴转动 2 角的坐

47、标变换矩阵为： 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 14 - （3）沿 2 X 轴移动 2 a ，沿 3 Y 轴移动 3 d ，绕 3 Z 轴转动 3 角的坐标变换矩阵为： （4）沿 3 X 轴移动 3 a ，沿Y4轴移动 4 d ，绕 3 X 轴转动90角，绕Z4轴转动 4 角的坐 标变换矩阵为： （5）绕 4 X 轴转动角90，绕 5 Z 轴转动 5 角的坐标变换矩阵为： （6）绕 5 X 轴转动90角，绕 6 Z 轴转动 6 角的坐标变换矩阵为： 安徽工程大学机电学院毕业设计（论文） - - 15 - - 将以上连杆的齐次变换矩阵进行运算，就得到操作臂变换矩阵： ,sin iiii

48、c s式中：分别表示cos。 23456 1423 90 ,90 ,0 ,0 ,180 ,0 0,0,1,0,0,0,0, 0,0, i xyxyzxy zxyz nnoooaa appadpaa 当将各关节角的初始位置，即 的值代入上述表达式中，可得： 与以基位姿为参照手部位姿的矩阵相同， 即运动方程是正确的。 陈卓：工业机器人三维设计与运动分析 - 16 - 第第 4 章章 基于基于 ADAMS 的运动学仿真的运动学仿真 4.1 ADAMS 功能介绍 ADAMS是英文Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System的缩写，提供了强 大的建模仿真

49、环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，与其他CADCAM 软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能。在当今动力学分析软件市场上， 拥有70的市场份额，广泛应用于机器人、航空航天、汽车工程、铁路车辆及装备和 工程机械等领域。ADAMS拥有Windows如Linux两个版本。 ADAMS软件将强大的分析求解功能与使用界面相结合，使用直观且方便。软件的 特点如下： l、利用交互式图形环境和零件库、约束库和力库建立机械系统三维参数化模型。 2、分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析， 包含刚体和柔性体分析。 3、具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速准确。 4、具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力， 提供多种“虚拟样机“方案。 5、具有一个强大的函数库供自定义力和运动发生器。 6、具有开放式结构，允许集成自己的子程序。 7、自动输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，仿真结果显示为动画和曲线图 形。 8、可预测机械系统的性能