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