(完整word版)六自由度机器人结构设计

六自由度机器人结构设计、

运动学分析及仿真

学科：机电一体化

姓名：袁杰

指导老师：鹿毅

答辩日期： 2012.6

摘要

近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获

得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此

研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义

的。

典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在

生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项

目的要求，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，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，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，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。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。

第1 章绪论

1.1 我国机器人研究现状

机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动

作业任务的机械装置。

机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及

人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。

我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要

目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。

我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。

1.2 工业机器人概述：

在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间

环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”

操作机定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”

一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有4～6 个自由度，其中2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的位

置，其余2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。

1.3 研究课题的提出

本研究课题是根据省教育厅《物流机器人操作研究与开发》课题的需要而提出的。工业机器人在FMS 中的一种典型应用如图1-1 所示。

图 1-1 工业机器人的一种典型应用

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。

设想的机器人工作方式如图1-2 所示

图 1-2 可移动式机器人的应用

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。

1.4 本论文研究的主要内容

作者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) 进行机器人静力学学分析，

(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。

第2 章机器人方案的创成和机械结构的设计

2.1 机器人机械设计的特点

串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。

其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。

再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要

考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的。另外，与一般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、

灵巧性方面有更高的要求。

2.2 与机器人有关的概念

以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。

1 自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常

有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称

为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。

2 机器人的分类

机器人分类方法有多种。

(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续

轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如

机器人在进行点焊时的轨迹控制。

（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。

(2) 按机器人的结构分类，可分为四类：

（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异

状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。

（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。

（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节。以q,f, y 为坐标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。

（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。

(3) 按驱动方式分类：

按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动。电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染

环境等优点。

(4) 按用途分类：

可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削

加工机器人和特种用途机器人等。

2.3 方案设计

2.3.1 方案要求

如前所述，该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。能够固定在移动装置（如AGV）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5~6 个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动，设计负重为6公斤，手爪开合范围5 mm～100 mm。

2.3.2 方案功能设计与分析

a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形

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。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，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1。

本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要

结构简单，容易控制。综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度。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。

图 2-1 几种多自由度机器人手臂构形

手腕的构形也有多种形式。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2-2 所示。

四种三自由度手腕构形

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。BBR 结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，BRR、RBR 前者相比结构紧凑。

旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节易于密封防尘。这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形，最后确定其结构形式如图2-3。

图 2-3 该型机器人构形

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。

b 传动系统的布置

总体结构方案确定后，作出机器人结构草图。在传动系统的布置方面，尝试了多种不同的方案。主要有以下几种，见图2-4。

方案 1(图2-4a)传动链最短，诱导运动少。但手腕结构尺寸大，重量大，腰部结构复杂。方案3(图2-4c)、方案4(图2-4d)腰部结构简单，便

于应用重力进行力矩平衡，但大、小臂结构复杂，传动链长，诱导运动

多，方案2(图2-4b)传动链短，手腕重量轻，结构紧凑。综合考虑，最后

确定方案2 为较优方案，根据该方案进行机械结构设计。

c 方案描述

该机器人固定在自动引导车（ AGV）上。这种AGV 可以实现水平方

向两个自由度的运动，导航方式有多种，如磁导航、激光导航、程序自

动轨迹控制等方式，因此，该机器人有运动自由灵活的特点。

机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动

装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。

机器人采用电动机驱动。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，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。

由于大臂俯仰和小臂俯仰运动的力矩很大，分别为 150Nm 和27Nm 左右，如果使用电机直接驱动的话，要求电机的输出扭矩很大，因此考虑在大臂关节和小臂关节处使用减速器。常用的减速器有行星减速器和谐波减速器等。谐波减速器具有传动比大、承载能力强、传动平稳、体积小、重量轻的优点，已广泛应用在现代机器人中。因此在大臂和小臂关节处使用了谐波减速器，减速比分别为1:100 和1:50，使用的步进电机输出扭矩分别为3.7Nm和1.0 N m 。

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。

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：

关节 1（ T ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)

关节 2（ W ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)

关节 3（ U ）： 60 o/s (1.047 rad/s) (10 r/min)

关节 4（ C ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min)

关节 5（ B ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min)

关节 6（ S ）： 180 o/s (3.142 rad/s) (30 r/min)

最大加速度：2 m/s2

各关节转动范围：

关节 1（ T ）： -360 o ～ +360 o

关节 2（ W ）： - 90 o ～ + 90 o

关节 3（ U ）： -60 o ～ +210 o

关节 4（ C ）： -360 o ～ +360 o

关节 5（ B ）： - 90 o ～ + 90 o

关节 6（ S ）： -360 o ～ +360 o

2.4 方案结构设计与分析

该机器人的本体组成如图 2-5。

各部件组成和功能描述如下：

(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：

为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比

较大，为0～100mm。考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制。设计了两种手爪。

两种手爪都采用电机驱动，平行开合机构。方案 1 采用了左右旋螺杆，同一根螺杆一端为左旋螺纹，另一端为螺距相同的右旋螺纹，当螺

杆转动时，两只螺母带动左右两个手指同时开合，燕尾导轨定向。

方案 2 的运动机构采用平行四连杆机构。方案2 比方案1 重量轻，被夹持物到手腕的高度尺寸大，刚度略差。使用了蜗轮蜗杆机构起到减

速和增大扭矩的作用。两种手爪使用同样的与手腕连接的机械接口。