六自由度机械手动力学仿真
六自由度机械臂动力学仿真分析
• 52 •内燃机与配件六自由度机械臂动力学仿真分析高程远(湖北省宜昌市第一中学，宜昌443000)摘要：随着工业自动化的不断发展，机械臂在自动化生产车间的应用日趋广泛。
本文通过对一种六自由度机械臂的结构分析，了解其工作及传动原理。
利用计算机辅助设计软件对其进行三维建模，并在动力学分析软件中进行扭矩仿真分析，为其结构设计及关节 处电机选型提供参考。
关键词：六自由度机械臂;建模;仿真分析;扭矩1机械臂概述机械手作为人手的替代物，能在高温、腐蚀性、有毒等 危险环境中替代人工完成特定的工作任务，在精度较高，重复性较大的工作任务中能显示出独特的效果。
机械手臂 可在空间中抓取、放置、搬运物体等，其动作灵活多样，在自动化生产中应用广泛。
机械臂的控制参数极其复杂11]，如果仅靠人为输入，不仅效率极低下，而且错误率也会相当高。
因此引入“机械臂 逆运动学”概念。
机械臂逆运动学与运动学有着本质的区 别，所谓的运动学，即是在输入参数与变量的条件下机械 臂在执行过程中的运动特性；而逆运动学，就是在人为设 计其运动方式与末端执行方式后，计算机自行推导出机械 臂的控制参数，并找出符合要求的最优解，从而省去了繁 杂的人工计算[2]。
由此，对机械臂逆运动学的理论分析的优 势可见一斑。
在机械臂的硬件设备设计上不能落后，在确定机械臂 的任务需求后需确定自由度的数目、工作空间、负载能力、速度、重复精度和定位精度等，运用组合笛卡尔机械臂、关节型机械臂、SCARA机械臂等基本初等运动学构形来组 装我们想要的机械臂。
这其中，要寻求最适合的驱动方式，传动方式等，这就要在不同的驱动器、传动装置中进行合 理选择组装，在测试过程中还要装上力传感器，运动传感 器等进行检测[3]。
2机械臂建模及仿真分析原理2.1利用SolidWorks软件构建模型本文中利用三维建模分析软件Solidworks对机械臂 各部分进行建模并对机械臂进行装配。
同Word文档一样，SolidWorks软件的使用同样包括打开、新建、保存等基 本操作步骤。
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：近年来，随着工业自动化的快速发展，机械臂在生产制造领域的应用越来越广泛。
作为工业机器人的重要组成部分，机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点。
本文围绕六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真展开研究，通过对机械臂的结构、动力学模型和运动学原理的分析，设计了一套完整的机械臂控制系统，并进行了运动学仿真验证实验。
研究结果表明，该控制系统能够实现六自由度机械臂的准确控制和精确运动。
关键词：六自由度机械臂，控制系统，运动学仿真，结构分析，动力学分析1. 引言机械臂是一种能够替代人工完成各种物体抓取、搬运和加工任务的重要设备。
随着工业自动化程度的提高和生产效率的要求，机械臂在生产制造行业中的应用越来越广泛。
机械臂的控制系统设计和运动学仿真成为了研究和应用的热点，尤其是六自由度机械臂。
六自由度机械臂具有较大的运动自由度，在复杂任务中具有更强的工作能力和适应性。
因此，研究六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真对于改善机械臂的性能和应用具有重要意义。
2. 机械臂结构分析六自由度机械臂的结构由底座、第一至第六关节组成。
底座作为机械臂的固定支撑，通过第一关节与机械臂连接。
第一至第四关节形成了前臂部分，决定了机械臂的悬臂长度。
第五关节和第六关节分别为腕部和手部，负责完成机械臂的末端操作。
结构分析可以为后续的动力学和运动学建模提供基础。
3. 动力学模型机械臂的动力学模型是基于牛顿第二定律和欧拉定理建立的。
通过考虑机械臂各关节的质量、惯性和振动特性，可以对机械臂的力学性能进行描述。
动力学模型的建立是机械臂控制系统设计的重要基础。
4. 运动学原理机械臂的运动学原理研究机械臂的位置、速度和加速度之间的关系。
通过运动学原理可以确定机械臂的姿态和末端位置，实现机械臂的准确定位和精确控制。
运动学原理是机械臂控制系统设计和运动学仿真的重要内容。
《2024年六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》范文
《六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，机械臂已成为自动化生产线上不可或缺的一部分。
六自由度机械臂因其高度的灵活性和适应性，在工业、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
本文将详细介绍六自由度机械臂控制系统的设计与运动学仿真，旨在为相关领域的研究和应用提供参考。
二、六自由度机械臂结构及特点六自由度机械臂主要由关节、驱动器、控制系统等部分组成。
其结构包括六个可独立运动的关节，通过控制每个关节的旋转角度，实现空间中任意位置的到达。
六自由度机械臂具有较高的灵活性和工作空间，适用于复杂环境下的作业。
三、控制系统设计（一）硬件设计控制系统硬件主要包括微处理器、传感器、执行器等部分。
微处理器负责接收上位机指令，解析后发送给各个执行器；传感器用于检测机械臂的位置、速度、加速度等信息，反馈给微处理器；执行器则根据微处理器的指令，驱动机械臂进行运动。
（二）软件设计软件设计包括控制系统算法和程序设计。
控制系统算法包括运动规划、轨迹跟踪、姿态控制等，通过算法实现对机械臂的精确控制。
程序设计则包括上位机程序和下位机程序，上位机程序负责发送指令，下位机程序负责接收指令并执行。
四、运动学仿真运动学仿真是指通过数学模型对机械臂的运动过程进行模拟，以验证控制系统的正确性和可靠性。
运动学仿真主要包括正运动学和逆运动学两部分。
（一）正运动学正运动学是指通过关节角度计算机械臂末端的位置和姿态。
通过建立机械臂的数学模型，利用关节角度计算末端执行器的位置和姿态，为后续的轨迹规划和姿态控制提供依据。
（二）逆运动学逆运动学是指根据机械臂末端的位置和姿态，计算关节角度。
通过建立逆运动学方程，将末端执行器的目标位置和姿态转化为关节角度，实现对机械臂的精确控制。
五、实验与分析通过实验验证了六自由度机械臂控制系统的设计和运动学仿真的正确性。
实验结果表明，控制系统能够实现对机械臂的精确控制，运动学仿真结果与实际运动过程相符。
基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真概论
基于PROE六自由度机械手参数化建模及运动仿真概论基于PRO/E（Pro/ENGINEER）六自由度机械手参数化建模及运动仿真（Introduction to Parametric Modeling and Motion Simulation of a Six Degree-of-Freedom Robot Arm Based on PRO/E）是一种基于 Pro/E 软件的机械手参数化建模方法和运动仿真技术的概念介绍。
机械手是一种能够执行预定动作的自动机器人系统，在工业领域被广泛应用。
参数化建模和运动仿真是机械手设计与验证的重要工具，可以提高设计效率和减少实验成本。
首先，本文介绍了 Pro/E 软件的基本原理和特点。
Pro/E 是一种三维 CAD（计算机辅助设计）软件，具有强大的参数化建模和运动仿真能力。
它可以通过调整参数来改变模型的形状和尺寸，以便满足不同的设计要求。
Pro/E 还提供了强大的运动仿真功能，可以模拟机械手在不同工况下的运动特性。
接下来，本文详细介绍了机械手的六个自由度，即机械手可以在三维空间中进行平移和转动的六个方向。
机械手的自由度决定了它的灵活性和工作范围。
参数化建模是在 Pro/E 软件中定义机械手的结构和参数，以便能够根据实际需求对机械手进行定制化设计。
然后，本文提出了一种基于 Pro/E 软件的机械手参数化建模方法。
通过定义机械手的几何尺寸、关节角度和连杆长度等参数，可以实现对机械手结构和工作范围的快速调整。
参数化建模可以大大加快机械手的设计过程，减少人工调整的工作量。
最后，本文介绍了基于 Pro/E 软件的机械手运动仿真技术。
通过给定关节的运动规律和工作环境的约束条件，可以模拟机械手在不同运动状态下的姿态和运动轨迹。
运动仿真可以帮助设计师评估机械手的性能和可靠性，并进行优化设计。
总结起来，基于 Pro/E 的六自由度机械手参数化建模和运动仿真技术是一种高效、准确和可靠的机械手设计方法。
基于ADAMS六自由度机械手的动力学分析与仿真
置 。它可代替 人 的繁 重 劳 动 以实 现 生 产 的机 械 化 和 自动 化 ， 能 在有 害环 境下 操 作 以确保 人 身 安 全 ， 因而 广 泛应 用 于机械 制造 、 冶金 、 电子 、 轻工 和原 子能等 部
门。工业机械手的性能， 要求不断提高工作精度和作 业 速度 ， 增加 机构 的 自由度 ， 提高 通用性 和灵 活性 ， 同 时还 要求 降低成 本 ， 控制简单 ， 安 全可 靠 。利 用 虚 拟
固定程 序抓 取 、 搬 运 物 件 或 操 作 工 具 的机 械 电 子 装
动 力学 问题 ， 主要是 为 了解决 机器人 的控 制 问题 。
２ ． １ 机械 手 的三维 模型
Hale Waihona Puke 由Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ对机 械 手进行 建模 ， 如图 １ 所示 ， 机 械 手 为六 自 由度 串 联 关 节 型 结构 ， 由腰 关 节 、 肩关节 、 肘 关节、 腕关 节 １ 、 腕关 节 ２ 、 腕关 节 ３组 成 ， ６个 关 节 均
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐａ ｐ ｅ ｒ ， ａ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ６－ＤＯＦ ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕｌ ａ ｔ ｏ ｒ ｉ ｓ ｂ ｕｉ ｌ ｔ ｂ ｙ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｌ ａ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ｍｅ ｔ ｈｏ ｄ ．Ｉ ｔ ａ ｌ ｓ ｏ ｂ ｕｉ ｌ ｄ ｓ ｔ ｈ ｅ ３Ｄ
摘
要： 采用拉 格朗 日方法建立 了一种六 自由度机械 手的动力学模 型。利 用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ软件 建立机械 手的三维模 型， 将其
导入 到 Ａ Ｄ Ａ Ｍ Ｓ软件 中进行动 力学仿真 ， 得 出各个关节的 力矩、 速度 、 加速度和 各关 节转 角的关 系曲线 ， 为机 械手控
六自由度机械手三维运动仿真研究
图 C; 运动学多解示意图 Nhomakorabea在实际应用中， 应根据机器人实际结构选取其中最优的一 组解 （ 如行程最短、 功率最省、 受力最好、 回避障碍） ， 建立对反 解值进行划分的规范。在仿真系统算法中， 为使机器人在最短 时间完成任务， 采取了行程最短的方案， 即对各转动关节根据 其单位转角对机器人位姿的影响设定其权值， 然后据此对各反 "> ! ; 运动学方程的建立及正解 首先计算各个连杆坐标系的变换矩阵， 变换矩阵中包括了 机械手连杆结构尺寸参数。将连杆坐标系｛$｝ 相对于｛$ ? 9 ｝ 的 变换 $$ ? 9 # 称为连杆变换。每一个连杆变换 $$ ? 9 # 是经由以下四 个子变换得到的： !绕 % $ ? 9 旋转 ! 角； " 绕 & $ ? 9 旋转 " 角； #绕 ’ $ ? 9 旋转 # 角； 下 的 点： $ 将 坐 标 系 原 点 移 到 坐 标｛$ ? 9 ｝
( $@ A （ %， &， ’） 。其中三次旋转是相对于固定坐标系｛$ ? 9 ｝ ，
B
得到相应的旋转矩阵 $$ ? 9 ! %&’ 与 $ ? 9 " $@ ， 从而可以得到从坐标系
［C］ ｛$ ? 9 ｝ 到坐标系｛$｝ 的齐次变换 $$ ? 9 # 。在本文介绍的机械手
中， 六个关节均为转动关节， 对于转动关节 $， 连杆变换 $$ ? 9 # 是 关节转动角度 $ $ 的函数。根据连杆变换的齐次矩阵式和连杆
第) 期
陈幼平等： 六自由度机械手三维运动仿真研究
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六自由度机械手三维运动仿真研究 !
陈幼平，马志艳，袁楚明，周祖德
（ 华中科技大学 机械科学与工程学院，湖北 武汉 ’%"",’ ） 摘- 要：以六自由度机械手三维运动仿真为背景， 介绍了利用 ./0123 实现机械手运动仿真的有效方法， 重点分析 了机械手运动学模型的构建以及运动轨迹规划的实现。对于一般的机械手运动仿真系统， 该实例具有一般普遍性。 关键词： ./0123；机械手；三维运动仿真；轨迹规划 中图法分类号：45!’!- - - 文献标识码：*- - - 文章编号：&""&$ %)6# （ !"") ） ")$ "!"#$ "%
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真
六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真摘要：机械臂在现代工业自动化领域中扮演着重要的角色。
为了更好地应对复杂的工业任务，提高生产效率和精度，本文设计了一套六自由度机械臂控制系统，并利用运动学仿真进行了验证。
文章首先介绍了机械臂的概念及其应用领域，然后详细介绍了六自由度机械臂的结构、运动学原理以及控制系统设计方案。
最后，通过运动学仿真实验验证了设计方案的可行性和稳定性，为进一步进行实际应用提供了有力支持。
一、引言机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机械装置，广泛应用于工业制造、物流配送、医疗辅助等领域。
随着自动化技术的发展，机械臂正在不断发展和完善。
其中，六自由度机械臂由于其结构灵活、多功能和高精度的特点，成为研究和应用较多的一种类型。
二、六自由度机械臂结构与运动学原理六自由度机械臂由机械臂底座、第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节和末端执行器组成。
每个关节都有一个自由度，使得机械臂可以在六个方向上进行运动。
机械臂的运动是通过电机控制与驱动的。
机械臂的运动学原理是通过求解机械臂的位置、速度和加速度，来实现机械臂的运动控制。
机械臂的位置可以通过关节角度得到，而关节角度可以通过编码器和传感器实时获取。
机械臂的速度和加速度可以通过微分、反向运动学求解得到。
利用运动学原理，可以在给定任务下控制机械臂的精准运动。
三、六自由度机械臂控制系统设计方案本文设计的机械臂控制系统采用了嵌入式控制器进行控制。
主要原因是嵌入式控制器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点，能够满足机械臂控制系统的需求。
控制系统主要包括关节驱动模块、通信模块、控制算法和人机交互界面。
其中，关节驱动模块用于控制机械臂的运动，通信模块用于与上位机进行数据传输，控制算法用于实现机械臂的运动控制，人机交互界面用于操作和监控机械臂的运动状态。
四、运动学仿真实验与结果分析为了验证设计方案的可行性和稳定性，本文进行了运动学仿真实验。
基于ProE的六自由度机械手的仿真
基于Pro/E的六自由度机械手的仿真摘要机器人是自动执行工作的机器设备。
它不但可以接受人类指挥，而且还能运行预先编排的程序，又方便根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
它的任务是协助或者说是代替人类工作的工作，例如生产业、建筑业，繁琐的，危险的作业。
六自由度自由度机械手做为现代机器人的一个重要组成部分，也随着技术的发展不断发展。
普通机械手只能完成单工作任务或者较简单的操作，多自由度机械手在很多的工程技术及工程实际中能更为合理的进行一些现实操作。
笔者利用三维软件Pro/E 制图，对六自由度机械手的运动机构进行分析、设计，并对其进行三维造型的建模与仿真。
通过Pro/E这个三维软件工具来进行六自由度机械手的建模设计，完整体现产品设计的基本流程，提出一种产品设计的新思路,展示Pro/E在产品设计上的优势。
第一利用Pro/E便捷的建模工具来对机械手的各零件进行造型设计；第二利用Pro/E按要求对机械手零件以各种约束和销钉等连接来进行合理装配；第三利用Pro/E的机构模式对机械手的装配作添加伺服器等操作，来实现六自由度机械手的运动仿真。
Pro/E简单便捷的的实现了对六自由度机械手的装配和运动仿真，效果非常直观明了。
关键词：六自由度机械手，Pro/E，建模，仿真Simulation of Six Degrees of Freedom Manipulator Based on Pro/ EAbstractThe robot is machinery and equipment that carries out operation automatically .It can not only accept human command, but also can run a pre-arranged program by itself . Its mission is to assist or replace human work, such as manufacturing industry, construction, tedious and dangerous operation. Six degrees of freedom manipulator as an important part of modern robot also continuous development along with the of technology development. General manipulator can only complete a single task or a relatively simple operation, multi-degree of freedom manipulator can be more reasonable for some real-world operating in a lot of engineering skills and engineering practical.I use Pro / E , a three-dimensional software, drawing, analyze, design the movement organization of six degrees of freedom manipulator, and make modeling and simulation of three-dimensional shape of motion for six degrees of freedom manipulator. I conduct modeling design for Six degrees of freedom manipulator by using the three-dimensional software tools Pro / E ，which course shows us the basic process of the product’s design fully, puts forward new ideas for a product design and demonstrates the advantage of Pro / E. Firstly, I use Pro / E’s convenient modeling tool to design the various parts of the robot; Secondly, I fit the various parts of the robot together according to a variety of constraints and pin connected. Thirdly, I use institutional model of Pro / E to add server operation in order to achieve motion simulation of the six degrees of freedom manipulator. Pro / E is simple and convenient to achieve the six degrees of freedom manipulator assembly and motion simulation, the effect is very simple and clear.Keywords: Six Degrees of Freedom Manipulator, Pro / E, Modeling, Simulation目录第一章绪论 (1)1.1六自由度机械手的简介 (1)1.2六自由度机械手的发展 (1)1.3六自由度机械手的研究意义 (2)1.4机械手的研究状况 (3)第二章 Pro/ENGINEER的选择使用 (4)2.1 Pro/ENGINEER产品介绍 (4)2.2 Pro/ENGINEER六大模块 (4)2.3 Pro/ENGINEER的优势 (6)第三章六自由度机械手零件的设计建模 (7)3.1 六自由度机械手底座建模 (8)3.2 六自由度机械手垂直轴旋转体的建模过程 (8)3.3 六自由度机械手的臂膀建模过程 (9)3.4 六自由度机械手手掌建模过程................ 错误！未定义书签。
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机电工程学院
机械动力学课程设计
学号：
专业：机械工程
学生姓名：
任课教师：
2012年10月
基于PRO/E和ADAMS的
六自由度机械手运动仿真
本文利用PRO/E软件对所设计六自由度机械手进行三维实体建模，然后通过PRO/E 和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS，根据实际设计要求添加相关约束，在此基础上进行运动仿真，研究机械手各机构关节的运动，测量各个关节的关节角位移、速度、加速度和驱动力矩的变化情况，通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势确定设计中存在的问题，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试。
1 六自由度机械手的三维实体模型
1.1利用Pro/E建立机械手的三维实体模型
本文所研究的六自由度机械手由Part2-Part8七部分零件构成，Part_1为大地。
将绘制完成的零件采用从下向上的装配顺序进行装配，其装配效果图如图1所示。
图1 机械手装配模型
1.2三维模型的导入
首先在Pro/E环境下将机械手装配模型保存为“.x_t”格式，然后在ADAMS中执行[import]导入刚才生成的“.x_t”文件。
导入的模型没有质量，需要自己添加，在ADAMS 中分别定义各零件材料属性为“steel”。
2 ADAMS运动仿真
机械手在运动过程中要尽量平滑、平稳，否则会产生机械部件的磨损加剧，并导致机械手的振动和冲击。
因此在仿真过程中测量各个关节的关节角位移、速度、角加速度和驱动力矩的变化情况。
将模型各零部件导入ADAMS软件中后，各个构件之间还没有任何的约束，模型只是提供了各构件的初始位置。
本机械手两两相邻的构件构成的六个关节都是转动关节，均定义为旋转副，底座与大地之间定义为固定副，然后再为每个旋转副分别定义驱动(Motion)。
从下往上，Part_2和Part_3之间为Motion_1，直到Part_7和Part_7之间为Motion_6。
添加完驱动后的模型如图2所示。
图2 ADAMS环境下机械手仿真模型
本题为已知各关节转角运动关系，因此使用STEP函数定义各关节驱动为角位移的函数。
各个旋转副相对应的运动方程如下：
（1）Motion_1：STEP(time，0，0d，6，60d)；
（2）Motion_2：STEP(time，0，0d，6，-15d)；
（3）Motion_3：STEP(time，0，0d，6，45d)；
（4）Motion_4：STEP(time，0，0d，6，40d)；
（5）Motion_5：STEP(time，0，0d，6，40d)；
（6）Motion_6：STEP(time，0，0d，6，20d)。
至此建立起了机械手完整仿真模型，然后进行8s、80步的仿真。
如图3所示。
图3 机械手运动轨迹
3 仿真结果及分析
3.1 结果曲线
关节角是机械手运动学的重要参数，在此我们提取了各个关节的角位移、角速度、
角加速度变化规律和各个关节的驱动力矩变化规律分别如图4、图5、图6和图7所示。
图4 各个关节角的角位移仿真结果图图5 各个关节角的角速度仿真结果图
图6 各个关节的角加速度仿真结果图图7 各个关节角的驱动力矩仿真结果图
3.2 结果分析
通过观察图3运动轨迹及图4、图5角位移和角速度曲线，可知各关节均按给定位移函数正常运行，机械手运行轨迹光滑，速度和加速度平稳。
由图6角加速度曲线可知，各关节在启动和停止阶段加速度都有突变。
启动阶段加速度从零到最大值，停止阶段从最大值降到零。
在正常运行阶段，角加速变化平稳，大致呈线性变化。
由于考虑了重力，各关节的角加速度是重力和驱动力矩共同作用的结果。
从图7中可看出，各关节驱动力矩变化平稳，没有冲击现象。
事实上，在各关节的启停阶段，驱动力矩也存在少量波动。
例如图8和图9所示，分别为Motion_1和Motion_6的驱动力矩，由于两个驱动力矩都很小，可以清楚地从图中看到在启停阶段驱动力矩都存在突变。
但由于突变量很小，可以忽略，即可认为驱动力矩在机械手整个运行阶段都是平稳变化，没有冲击载荷。
图8 Motion_1驱动力矩图9 Motion_6驱动力矩
4 结论
本文针对所设计六自由度机械手，利用Pro/E和ADAMS软件，对六自由度机械手的三维实体模型进行运动仿真，仿真结果表明能够发挥各个的优势，更快更好的得到结果。
通过仿真动画可直观地观察到机械手的运动轨迹，为进一步研究机械手的动、静态特性提供了条件。
进而通过观察各个关节的角位移、角速度、角加速度和各个关节的驱动力矩变化规律。
实验验证了所设计的六自由度机械手在运动过程中平滑、平稳，没有振动和冲击现象。