六自由度机器人本体设计及轨迹规划与虚拟仿真Word格式文档下载.docx

1、六自由度工业机器人以其较大的工作范围，较高的灵敏度在工业机器人领域具有重要的地位。随着机器人应用在广度和深度上的发展，迫切需要解决机器人本体基础技术研究。本文以某型号六自由度工业机器人为原型，设计出一个六自由度工业机器人，对该机器人的传动机构进行了设计，对机器人的各关节的驱动电机进行了计算选型，选取了机器人的各关节减速器，并对小臂结构进行了强度分析。为方便以后的建模计算，通过 D-H 方法建立机器人连杆坐标系，得到机器人末端执行器相对于机器人基座的转换矩阵，进而得到机器人运动学正解。机器人逆运动学采用机器人变换矩阵的逆矩阵进行求解，可知机器人运动学逆解有多组，通过实际工况以及机器人各关节运动范

2、围等对逆解进行筛选。本文采用拉格朗日方法对机器人进行建模，得出机器人的动力学数学模型。机器人的轨迹规划方法有多种，本文采用三次 B 样条曲线对机器人进行轨迹规划。本文采用 matlab 对机器人工作空间进行了仿真，得出机器人的工作范围。运用 matlab 的机器人工具箱对机器人运动学进行了分析，得出了机器人运动学正解以及逆解。用机械系统分析软件 adams简化建立了机器人参数模型，并对机器人动力学进行了分析，得到了机器人各关节的驱动力矩。本文运用 matlab 机器人工具箱对机器人进行了轨迹规划，从结果可以看出机器人各关节随时间的变化曲线。关键词：工业机器人；运动学；动力学；轨迹规划；虚拟仿真

3、 II ABSTRACT In the modern industrial manufacturing field industrial robot is applied more and more widely.It is an important manifestation of the national high-tech level in todays society.Six degree of freedom industrial robot with its larger scope of work，high sensitivity plays an important role

4、in the field of industrial robots.In company with development of robots application in breadth and depth,it is urgent need to address the basic technology research of the robot.In this dissertation,design a six DOF industrial robot with a model of six DOF industrial robot as prototype.The robots tra

5、nsmission mechanism has been designed,the calculation and selection of the driving motor are done for each joint of robot,the reducer of robot joints are selected,and analysis the strength of small arm structure.For convenience of the calculation of modeling later,established the robot link coordina

6、te system through the D-H method.The transformation matrix is got of the robot relative to the robot base,and then the forward kinematics of the robot is got.The inverse kinematics of the robot is solved with inverse matrix of the robot transformation matrix,the inverse Kinematics of robot has many

7、components,it is selected though the actual working condition and the robot joints movement range.In this dissertation,the Lagrange method is used modeling for robot,the dynamics mathematical model of the robot is derived.There are a variety of robot trajectory planning method,the three B spline cur

8、ve trajectory planning of robot is used in this dissertation.The MATLAB is used to simulation the robot working space in this dissertation,the working range of the robot is drawn.The MATLAB robotics toolbox is used to analysis the robot kinematics,and then the robot kinematics and inverse solution a

9、re drawn.The robot parameters model is simplified established though the analysis software of mechanical system ADAMS.And the dynamics of the robot is analyzed,the driving torque of each joint of robot is got.The trajectory of robot is planned with the MATLAB robotics toolbox in this dissertation,th

10、e robot joints variation curve of time can be seen from the results.KEY WORDS:Industrial robots Kinematics Dynamics Trajectory planning Virtual simulation III 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 工业机器人的概述.1 1.2 国内外工业机器人技术的研究现状.2 1.3 本文的研究意义.4 1.4 本文主要研究内容.4 第二章第二章 六自由度工业机器人的结构设计六自由度工业机器人的结构设计.6 2.1 本设计的研究内容.6 2.

11、2 机器人的设计方案与分析.6 2.2.1 底座的设计与计算.8 2.2.2 腰部的设计与计算.9 2.2.3 大臂的设计与计算.11 2.2.4 小臂的设计与计算.12 2.2.5 手腕的设计与计算.14 2.2.6 手部的设计与计算.16 2.3 机器人各关节部件减速器的选型.17 2.4 机器人小臂的应力分析图形.18 2.5 总结.20 第三章第三章 六自由度工业机器人的运动学分析六自由度工业机器人的运动学分析.22 3.1 工业机器人运动学分析的意义.22 3.2 机器人正运动学分析方法.22 3.3 工业机器人的逆运动学分析.27 3.4 本章小结.31 第四章第四章 机器人动力学

12、分析及轨迹规划机器人动力学分析及轨迹规划.32 4.1 机器人动力学分析的意义.32 4.2 机器人动力学分析方法.32 4.3 机器人轨迹规划的意义.36 4.4 机器人关节空间轨迹规划.37 4.5 本章小结.41 第五章第五章 机器人运动学动力学以及轨迹规划的仿真机器人运动学动力学以及轨迹规划的仿真.42 5.1 机器人运动学仿真.42 5.2 机器人工作空间仿真分析.45 IV 5.3 机器人动力学仿真分析.47 5.4 机器人轨迹规划仿真.49 5.5 本章小结.50 第六章第六章 总结与展望总结与展望.51 6.1 总结.51 6.2 工作展望.52 参考文献参考文献.53 攻读硕

13、士学位期间的学术活动及成果情况攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况.56 V 插图插图清单清单 图 2.1 机器人结构类型图.7 图 2.2 底座剖视图.9 图 2.3 底座传动系统装配图.9 图 2.4 腰部结构图.10 图 2.5 腰部齿轮装配图.11 图 2.6 机器人大臂结构装配图.11 图 2.7 大臂传动系统图.12 图 2.8 小臂装配图.13 图 2.9 小臂结构装配图.13 图 2.10 小臂齿轮装配图.14 图 2.11 手腕结构.15 图 2.12 手腕部分装配图.15 图 2.13 手腕部分装配剖视图.16 图 2.14 手部结构.16 图 2.15 手部传动系统图.1

14、7 图 2.16 小臂有限元网格.19 图 2.17 小臂结构应变云图.20 图 2.18 工业机器人小臂的应力云图.20 图 3.1 机器人关节坐标建立方式.22 图 3.2 六自由度机器人的坐标系.24 图 5.1 MATLAB 中机器人模型.43 图 5.2 MATLAB 中机器人操作界面.44 图 5.3 六自由度机器人工作空间三维图.45 图 5.4 六自由度机器人X-Y平面工作空间图.46 图 5.5 六自由度机器人X-Z平面的工作空间.46 图 5.6 六自由度机器人Y-Z平面的工作空间.46 图 5.7 ADAMS 中机器人模型图.47 图 5.8 机器人末端执行器的位移曲线.

15、48 图 5.9 关节 1.48 图 5.10 关节 2.48 图 5.11 关节 3.48 VI 图 5.12 关节 4.48 图 5.13 关节 5.48 图 5.14 关节 6.48 图 5.15 六自由度工业机器人各关节角度规划曲线.50 VII 表格表格清单清单 表 2.1 小臂有限元分析结果.19 表 3.1 六自由度机器人的 D-H 参数表.23 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 工业机器人的概述 工业机器人简而言之就是应用在工业领域的多自由度并能够进行编程操作的自动化操作器，机器人在工业生产中能大大解放劳动力，将人们从一些重复繁琐的工作中解放出来。机器人技术蕴含

16、了各学科的技术知识，其中包含机械设计制造、系统控制工程、微机电技术以及计算机技术等学科范畴，代表了一个国家的机电化程度的最高水平，是一国的高新技术水平的重要体现。随着第一次工业技术革命的发展，一些自动化机械相继诞生，机器人的发明制造由理论转化为现实，20世纪50年代末期世界上第一台机器人原型诞生于美国，并随后生产出了世界上第一台工业机器人，拉开了机器人发展的序幕。工业机器人系统主要由四个部分组成，控制器系统、执行器系统、末端执行器以及动力系统1。机器人在 20 世纪 60 年代步入了飞速发展阶段，开始逐步应用到工业制造领域各行业。上世纪 70 年代机器人基本上进入了实用化阶段，伴随着人工智能技术进入机器人领域，促进了机器人技术更加智能化、人性化。20 世纪末，工业机器人进入到飞速发展阶段，普遍应用于汽车装配等领域。随着工业机器人技术的飞速发展，工业机器人在汽车设计加工制造等领域的应用范围越来越广，工业机器人技术的发展将极大的解放劳动力，促进生产力的飞速发展。中国的自动