六自由度機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃與虛擬仿真.doc

摘 要機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域的應(yīng)用越來越普遍。機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今社會國家高新技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。六自由度工業(yè)機(jī)器人以其較大的工作范圍，較高的靈敏度在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域具有重要的地位。隨著機(jī)器人應(yīng)用在廣度和深度上的發(fā)展，迫切需要解決機(jī)器人本體基礎(chǔ)技術(shù)研究。 本文以某型號六自由度工業(yè)機(jī)器人為原型，設(shè)計(jì)出一個(gè)六自由度工業(yè)機(jī)器人，對該機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對機(jī)器人的各關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算選型，選取了機(jī)器人的各關(guān)節(jié)減速器，并對小臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度分析。為方便以后的建模計(jì)算，通過D-H方法建立機(jī)器人連桿坐標(biāo)系，得到機(jī)器人末端執(zhí)行器相對于機(jī)器人基座的轉(zhuǎn)換矩陣，進(jìn)而得到機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解。機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)采用機(jī)器人變換矩陣的逆矩陣進(jìn)行求解，可知機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解有多組，通過實(shí)際工況以及機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍等對逆解進(jìn)行篩選。本文采用拉格朗日方法對機(jī)器人進(jìn)行建模，得出機(jī)器人的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型。機(jī)器人的軌跡規(guī)劃方法有多種，本文采用三次B樣條曲線對機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃。本文采用matlab對機(jī)器人工作空間進(jìn)行了仿真，得出機(jī)器人的工作范圍。運(yùn)用matlab的機(jī)器人工具箱對機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，得出了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解以及逆解。用機(jī)械系統(tǒng)分析軟件adams簡化建立了機(jī)器人參數(shù)模型，并對機(jī)器人動力學(xué)進(jìn)行了分析，得到了機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩。本文運(yùn)用matlab機(jī)器人工具箱對機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，從結(jié)果可以看出機(jī)器人各關(guān)節(jié)隨時(shí)間的變化曲線。關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；運(yùn)動學(xué)；動力學(xué)；軌跡規(guī)劃；虛擬仿真ABSTRACTIn 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 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 transmission 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 thestrength of small armstructure.For convenience of the calculation of modeling later, established the robot link coordinate 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 withinverse matrix of the robottransformation matrix, the inverse Kinematics ofrobot has many 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 curve 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 are 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, the robot joints variation curve of time can be seen from the results.KEY WORDS: Industrial robots Kinematics Dynamics Trajectory planning Virtual simulation目 錄第一章 緒論11.1工業(yè)機(jī)器人的概述11.2國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀21.3本文的研究意義41.4本文主要研究內(nèi)容4第二章 六自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62.1本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容62.2機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案與分析62.2.1 底座的設(shè)計(jì)與計(jì)算82.2.2 腰部的設(shè)計(jì)與計(jì)算92.2.3 大臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算112.2.4 小臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算122.2.5 手腕的設(shè)計(jì)與計(jì)算142.2.6 手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算162.3機(jī)器人各關(guān)節(jié)部件減速器的選型182.4機(jī)器人小臂的應(yīng)力分析圖形182.5總結(jié)21第三章 六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析223.1 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析的意義223.2 機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)分析方法223.3 工業(yè)機(jī)器人的逆運(yùn)動學(xué)分析273.4 本章小結(jié)31第四章 機(jī)器人動力學(xué)分析及軌跡規(guī)劃324.1 機(jī)器人動力學(xué)分析的意義324.2 機(jī)器人動力學(xué)分析方法324.3 機(jī)器人軌跡規(guī)劃的意義364.4 機(jī)器人關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃374.5 本章小結(jié)41第五章 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)動力學(xué)以及軌跡規(guī)劃的仿真425.1機(jī)器人運(yùn)動學(xué)仿真425.2機(jī)器人工作空間仿真分析455.3機(jī)器人動力學(xué)仿真分析475.4機(jī)器人軌跡規(guī)劃仿真505.5本章小結(jié)52第六章 總結(jié)與展望536.1總結(jié)536.2工作展望54參考文獻(xiàn)55攻讀碩士學(xué)位期間的學(xué)術(shù)活動及成果情況58插圖清單圖2. 1機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型圖7圖2. 2 底座剖視圖9圖2. 3 底座傳動系統(tǒng)裝配圖9圖2. 4 腰部結(jié)構(gòu)圖10圖2. 5 腰部齒輪裝配圖11圖2. 6 機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)裝配圖11圖2. 7 大臂傳動系統(tǒng)圖12圖2. 8 小臂裝配圖13圖2. 9 小臂結(jié)構(gòu)裝配圖13圖2. 10小臂齒輪裝配圖14圖2. 11 手腕結(jié)構(gòu)15圖2. 12 手腕部分裝配圖15圖2. 13 手腕部分裝配剖視圖16圖2. 14 手部結(jié)構(gòu)16圖2. 15 手部傳動系統(tǒng)圖17圖2. 16小臂有限元網(wǎng)格19圖2. 17小臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖20圖2. 18 工業(yè)機(jī)器人小臂的應(yīng)力云圖20圖3. 1 機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)建立方式22圖3. 2 六自由度機(jī)器人的坐標(biāo)系24圖5. 1 MATLAB中機(jī)器人模型43圖5. 2 MATLAB中機(jī)器人操作界面44圖5. 3 六自由度機(jī)器人工作空間三維圖45圖5. 4 六自由度機(jī)器人x-y平面工作空間圖46圖5. 5 六自由度機(jī)器人x-z平面的工作空間46圖5. 6 六自由度機(jī)器人y-z平面的工作空間46圖5. 7 ADAMS中機(jī)器人模型圖47圖5. 8 機(jī)器人末端執(zhí)行器的位移曲線48圖5. 9 關(guān)節(jié)148圖5. 10 關(guān)節(jié)248圖5. 11 關(guān)節(jié)348圖5. 12 關(guān)節(jié)448圖5. 13 關(guān)節(jié)548圖5. 14 關(guān)節(jié)648圖5. 15 六自由度工業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度規(guī)劃曲線50表格清單表2. 1 小臂有限元分析結(jié)果19表3. 1 六自由度機(jī)器人的D-H參數(shù)表23VII第一章 緒論第一章 緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的概述工業(yè)機(jī)器人簡而言之就是應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的多自由度并能夠進(jìn)行編程操作的自動化操作器，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中能大大解放勞動力，將人們從一些重復(fù)繁瑣的工作中解放出來。機(jī)器人技術(shù)蘊(yùn)含了各學(xué)科的技術(shù)知識，其中包含機(jī)械設(shè)計(jì)制造、系統(tǒng)控制工程、微機(jī)電技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科范疇，代表了一個(gè)國家的機(jī)電化程度的最高水平，是一國的高新技術(shù)水平的重要體現(xiàn)。隨著第一次工業(yè)技術(shù)革命的發(fā)展，一些自動化機(jī)械相繼誕生，機(jī)器人的發(fā)明制造由理論轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，20世紀(jì)50年代末期世界上第一臺機(jī)器人原型誕生于美國，并隨后生產(chǎn)出了世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，拉開了機(jī)器人發(fā)展的序幕。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成，控制器系統(tǒng)、執(zhí)行器系統(tǒng)、末端執(zhí)行器以及動力系統(tǒng)1。機(jī)器人在20世紀(jì)60年代步入了飛速發(fā)展階段，開始逐步應(yīng)用到工業(yè)制造領(lǐng)域各行業(yè)。上世紀(jì)70年代機(jī)器人基本上進(jìn)入了實(shí)用化階段，伴隨著人工智能技術(shù)進(jìn)入機(jī)器人領(lǐng)域，促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)更加智能化、人性化。20世紀(jì)末，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入到飛速發(fā)展階段，普遍應(yīng)用于汽車裝配等領(lǐng)域。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在汽車設(shè)計(jì)加工制造等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展將極大的解放勞動力，促進(jìn)生產(chǎn)力的飛速發(fā)展。中國的自動化技術(shù)發(fā)展較晚，我國的機(jī)器人技術(shù)研究起始于上個(gè)世紀(jì)70年代，其發(fā)展軌跡可分為3個(gè)階段：20世紀(jì)70年代在國內(nèi)的萌芽出現(xiàn)、20世紀(jì)80年代機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了快速的發(fā)展階段，上個(gè)世紀(jì)末我國的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入到了工業(yè)實(shí)用化階段。由于當(dāng)時(shí)種種因素的制約，我國的機(jī)器人技術(shù)發(fā)展比較緩慢，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究水平相對較低，在各行業(yè)的使用率較少。1985年，隨著各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始大量的將工業(yè)機(jī)器人投入使用到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)而促進(jìn)了生產(chǎn)力的飛速發(fā)展，20世紀(jì)80年代末期我國的機(jī)器人開始被高度重視并步入了快速發(fā)展階段，并形成了我國自動化技術(shù)的首個(gè)發(fā)展高潮。截止到2009，我國市場上運(yùn)行的機(jī)器人為3.68萬臺，僅為日本的10.8%和德國的25.2%。到目前為止，中國已經(jīng)能夠生產(chǎn)出具有國際先進(jìn)水平的一些類型的工業(yè)機(jī)器人，例如工業(yè)電焊機(jī)器人，弧焊機(jī)器人以及搬運(yùn)碼垛機(jī)器人等一系列產(chǎn)品，并且使其中的一些機(jī)器人品種實(shí)現(xiàn)了小批量生產(chǎn)。在智能機(jī)器人的研究領(lǐng)域，中國國內(nèi)的一些大學(xué)和研究所都取得了一定的成就，但是其綜合實(shí)力仍然遠(yuǎn)不及各機(jī)器人發(fā)達(dá)國家。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國制造業(yè)隨之飛速發(fā)展，勞動力的價(jià)格隨之提升，中國對自動化設(shè)備的需求量也隨之加大，機(jī)器人的需求也隨之增加。但是，目前中國使用的自動化設(shè)備絕大多數(shù)都依賴于進(jìn)口，我國自主生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)在還沒有進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)使用。目前我國國內(nèi)新增的工業(yè)機(jī)器人中超過70%都是從國外進(jìn)口的。因此，發(fā)展機(jī)器人技術(shù)對于我國這樣一個(gè)發(fā)展中國家具有重要的意義，是我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)?，F(xiàn)階段，基于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，在信息技術(shù)、微機(jī)技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)以及智能制造技術(shù)等高新科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的推動下，機(jī)器人的應(yīng)用范圍越來越廣，并逐步從起始的工業(yè)領(lǐng)域逐步向一些極限環(huán)境、微觀技術(shù)方向發(fā)展，機(jī)器人在各方面的應(yīng)用范圍更加廣闊2-4。從機(jī)器人的發(fā)展歷程以及當(dāng)今社會環(huán)境分析，將人工智能技術(shù)應(yīng)用到機(jī)器人領(lǐng)域是該項(xiàng)技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，以求提高其工作性能，增加機(jī)器人應(yīng)用范圍，擴(kuò)大機(jī)器人的工作能力和應(yīng)用領(lǐng)域。現(xiàn)階段，由于機(jī)器人技術(shù)對各國綜合實(shí)力的提升世界各國對機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展愈來愈重視。機(jī)器人技術(shù)是新世紀(jì)世界各國發(fā)展的重要的高新技術(shù)之一5。1.2國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀如果要達(dá)到對工業(yè)機(jī)器人的軌跡進(jìn)行控制的目的，首先就要知道工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的位置和姿態(tài)，即工業(yè)機(jī)器人末端點(diǎn)在工作空間的位置和姿態(tài)。所謂工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析，即求解該機(jī)器人的驅(qū)動部件與執(zhí)行部件之間的位置、速度以及加速度之間的關(guān)系，進(jìn)而求解該工業(yè)機(jī)器人在工作空間中的末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)開環(huán)結(jié)構(gòu)，機(jī)器人結(jié)構(gòu)是通過改變機(jī)器人各部件的關(guān)節(jié)變量來改變機(jī)器人末端點(diǎn)在空間的位姿。求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)問題的基礎(chǔ)方法是D-H方法，該方法是通過求解機(jī)器人各連桿以及連桿之間的參數(shù)來建立機(jī)器人參數(shù)模型進(jìn)而求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)。工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)問題主要包含正運(yùn)動學(xué)求解以及逆運(yùn)動學(xué)求解。工業(yè)機(jī)器人逆解問題相對來說是更加重要的問題，因?yàn)榍蠼鈾C(jī)器人逆解的存在性以及運(yùn)算的快速性對機(jī)器人的控制的精準(zhǔn)性具有重要影響，因此機(jī)器人逆解的求解是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)并發(fā)明了諸多研究方法?，F(xiàn)階段求解機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)方法主要分為三種，分別為解析法6,7、數(shù)值法8、幾何法9以及其他一些算法等。機(jī)器人運(yùn)動學(xué)等的研究主要為機(jī)器人軌跡規(guī)劃打下基礎(chǔ)，機(jī)器人軌跡規(guī)劃對其在運(yùn)動過程中的能耗、可靠性以及平穩(wěn)性具有重要意義，所以研究軌跡規(guī)劃的學(xué)者較多，產(chǎn)生了一些比較普遍適用的軌跡規(guī)劃方法。隨著高新科技微機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者發(fā)明了許多新的軌跡規(guī)劃算法。工業(yè)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃是指根據(jù)在實(shí)際工作過程中根據(jù)工作目標(biāo)需求，計(jì)算出機(jī)器人的一些運(yùn)動參數(shù)并根據(jù)規(guī)劃方法來得到機(jī)器人在目標(biāo)點(diǎn)之間的運(yùn)動軌跡。在關(guān)節(jié)空間中的軌跡規(guī)劃是要求解出機(jī)器人的運(yùn)動變量相對于時(shí)間的變化量，對于不同的關(guān)節(jié)，變化量也不相同，移動關(guān)節(jié)主要是位移的變化量，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要是轉(zhuǎn)角的變化量。在笛卡爾坐標(biāo)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃就是根據(jù)任務(wù)所給的幾個(gè)路徑點(diǎn)進(jìn)而求出機(jī)器人末端位置點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)諸如速度、加速度等，而各關(guān)節(jié)的變量由逆解求出10。兩種坐標(biāo)系對機(jī)器人進(jìn)行規(guī)劃的結(jié)果必須滿足機(jī)器人運(yùn)動的軌跡曲線是連續(xù)及光滑的，即保證機(jī)器人運(yùn)行的平穩(wěn)性。在關(guān)節(jié)空間中對機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃的方法有多種主要有n次多項(xiàng)式函數(shù)插補(bǔ)方法以及B樣條函數(shù)插補(bǔ)方法等進(jìn)行軌跡的生成。一些學(xué)者將三次多項(xiàng)式插值函數(shù)應(yīng)用到四自由度機(jī)器人的軌跡規(guī)劃中并成功解決了問題11。一些研究者通過高階多項(xiàng)式插值來連接機(jī)器人路徑重要關(guān)鍵點(diǎn)的方法成功規(guī)劃出了平滑的機(jī)器人運(yùn)動軌跡12。國外學(xué)者Bazaz 通過對前人方法總結(jié)，利用沒有速度突變的光滑曲線連接路徑點(diǎn)的方法規(guī)劃出了機(jī)器人運(yùn)動軌跡13。通過對機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法的改進(jìn)，有的學(xué)者發(fā)明了一種方法，該方法解決了機(jī)器人在初始和結(jié)束時(shí)機(jī)器人加速度突變問題，讓其在實(shí)際工作中更加穩(wěn)定可靠14,15。在工業(yè)機(jī)器人實(shí)際工作過程中主要通過機(jī)器人系統(tǒng)能量以及運(yùn)行時(shí)間兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量機(jī)器人軌跡規(guī)劃方法的優(yōu)劣。一些研究者將遺傳算法應(yīng)用到軌跡規(guī)劃并以時(shí)間最優(yōu)為標(biāo)準(zhǔn)對機(jī)器人的軌跡進(jìn)行了規(guī)劃16?，F(xiàn)階段機(jī)器人軌跡規(guī)劃算法發(fā)展較快出現(xiàn)了多種新穎的算法各有優(yōu)劣，軌跡規(guī)劃算法的研究熱點(diǎn)為遺傳算法以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。國外一些研究者以系統(tǒng)能量最優(yōu)為標(biāo)準(zhǔn)通過將B樣條和變分方法引入到軌跡規(guī)劃中求解了冗余機(jī)器人軌跡的規(guī)劃問題17。一些研究者通過使用遺傳算法等方法并以機(jī)器人傳動的最小力矩為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃出了機(jī)器人的運(yùn)動軌跡18。機(jī)器人軌跡生成的方法有多種主要是機(jī)器人多項(xiàng)式插值函數(shù)構(gòu)造法以及對該方法進(jìn)行改進(jìn)后的軌跡生成方法。現(xiàn)階段軌跡生成方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)研究熱點(diǎn)主要為以時(shí)間最優(yōu)為標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)即分析系統(tǒng)在運(yùn)動過程中各運(yùn)動參數(shù)與各部件受力之間的關(guān)系。工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其動力學(xué)具有耦合性、時(shí)變性等特點(diǎn)并隨著自由度的增加研究變得更加復(fù)雜。系統(tǒng)動力學(xué)正問題以及動力學(xué)逆問題是該方面研究的兩大問題。機(jī)器人動力學(xué)正問題即根據(jù)機(jī)器人各部件所受的力來求解各部件變量的轉(zhuǎn)角、角速度以及角加速度等運(yùn)動參數(shù)。動力學(xué)逆問題是已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量的運(yùn)動學(xué)變量隨時(shí)間的變化量來求解所需要的驅(qū)動力或驅(qū)動力矩的問題，機(jī)器人動力學(xué)逆解是進(jìn)行機(jī)器人控制的基礎(chǔ)。現(xiàn)階段，機(jī)器人動力學(xué)研究方法主要是利用機(jī)器人運(yùn)動部件的變量對時(shí)間的一階和二階導(dǎo)數(shù)而推導(dǎo)出的部件所受力的牛頓-歐拉方法，或運(yùn)用系統(tǒng)能量方程來求解機(jī)器人動力學(xué)的拉格朗日方法。一些學(xué)者運(yùn)用牛頓-歐拉方法應(yīng)用到機(jī)器人動力學(xué)求解中并成功求解出6自由度機(jī)器人動力學(xué)方程19,20。一些研究者將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用到機(jī)器人動力學(xué)研究中使得得到機(jī)器人動力學(xué)參數(shù)模型具有一些幾何特征，成功的降低了運(yùn)算的復(fù)雜性21。國內(nèi)外一些學(xué)者運(yùn)用凱恩法求解機(jī)器人動力學(xué)并建立了動力學(xué)參數(shù)模型22,23。Kane方法適用范圍較廣，求解簡便，其弱點(diǎn)是偏速度概念的物理意義含糊，通用性較差。有些研究學(xué)者應(yīng)用旋量對數(shù)方法建立了動力學(xué)參數(shù)模型，進(jìn)行了機(jī)器人動力學(xué)分析24,25。隨著科技的發(fā)展，國內(nèi)外產(chǎn)生了許多對機(jī)器人動力學(xué)研究的方法，比較新穎的方法有高斯法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等方法。其中牛頓-歐拉方法與拉氏方法為研究分析機(jī)器人動力學(xué)的基礎(chǔ)方法，現(xiàn)階段不斷出現(xiàn)的新穎算法均是以它們?yōu)榛A(chǔ)改進(jìn)發(fā)展的。1.3 本文的研究意義機(jī)器人的軌跡就是機(jī)器人在實(shí)際工作過程中根據(jù)任務(wù)需求機(jī)器人末端點(diǎn)所走過的路徑即機(jī)器人末端點(diǎn)運(yùn)動參數(shù)隨時(shí)間的變化量。規(guī)劃的實(shí)質(zhì)是一種問題的求解方法，即從某個(gè)特定的問題出發(fā)，根據(jù)已知的約束及條件構(gòu)造出一系列的解決問題的方法方案，以達(dá)到解決問題的最終目的。機(jī)器人的軌跡規(guī)劃是指在滿足運(yùn)動過程中系統(tǒng)所需要滿足的約束條件下，對機(jī)器人末端點(diǎn)所走路徑進(jìn)行規(guī)劃使其運(yùn)行更加平穩(wěn)可靠。機(jī)器人軌跡規(guī)劃是其運(yùn)動路徑合理性的重要保障，是提高其運(yùn)動效率以及精度的重要方法之一。軌跡規(guī)劃的任務(wù)是依據(jù)工作任務(wù)要求，推演出預(yù)期的機(jī)器人運(yùn)動軌跡，即對機(jī)器人的運(yùn)動路徑和軌跡實(shí)現(xiàn)描述，計(jì)算出機(jī)器人末端執(zhí)行器的關(guān)節(jié)變量隨時(shí)間的變化量。虛擬技術(shù)是指利用微機(jī)等高新科技生成一個(gè)模擬環(huán)境，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓使用者對一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化操作以及進(jìn)行相互交流。該技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)的虛擬模擬將現(xiàn)實(shí)中的各種環(huán)境影響因素復(fù)制到微機(jī)中，可達(dá)到良好的虛擬仿真效果。為了研究設(shè)計(jì)以及改善機(jī)器人性能，需要對機(jī)器人的各項(xiàng)功能通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。機(jī)器人知識是各學(xué)科的知識的綜合，機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多學(xué)科綜合系統(tǒng)，在各個(gè)因素的影響下若要對機(jī)器人進(jìn)行分析是非常復(fù)雜的，這就體現(xiàn)了虛擬仿真的重要性，我們可以通過對虛擬的仿真模型控制，達(dá)到對其研究的目的。采用傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法對機(jī)器人進(jìn)行的設(shè)計(jì)，由于不能對設(shè)計(jì)進(jìn)行迅速有效的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，造成了資源以及人力的浪費(fèi)，使用虛擬仿真技術(shù)可以節(jié)約成本，縮短機(jī)器人試驗(yàn)研發(fā)周期等給研究工作帶來諸多益處。1.4本文主要研究內(nèi)容本課題采用機(jī)械設(shè)計(jì)、三維建模、理論力學(xué)、工業(yè)機(jī)器人技術(shù)等專業(yè)知識，借助專業(yè)的計(jì)算機(jī)軟件平臺在虛擬環(huán)境下對六自由度機(jī)器人進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)建模，分析了該六自由度機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)任務(wù)要求規(guī)劃了機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。采用仿真分析軟件對機(jī)器人進(jìn)行本體運(yùn)動技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)器人各項(xiàng)技術(shù)的合理性。本論文主要內(nèi)容如下：第一章，簡單介紹工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)生以及發(fā)展概況和趨勢，論述了工業(yè)機(jī)器人本體各項(xiàng)技術(shù)的國內(nèi)外的研發(fā)現(xiàn)狀以及趨勢。第二章，以某型號六自由度串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一個(gè)六自由度工業(yè)機(jī)器人，對機(jī)器人各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算。并在solidworks中對所設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行了建模。并運(yùn)用有限元仿真分析軟件workbench對機(jī)器人主要零部件進(jìn)行了仿真分析，確保結(jié)構(gòu)材料選擇的合理性以及保證所設(shè)計(jì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可靠性。第三章，對已設(shè)計(jì)好的機(jī)器人模型進(jìn)行參數(shù)建模，利用運(yùn)動學(xué)求解方法D-H方法建立機(jī)器人各連桿的坐標(biāo)系建立參數(shù)模型，進(jìn)而推算出機(jī)器人的末端點(diǎn)位姿，并進(jìn)而求出機(jī)器人的工作空間。根據(jù)所建立的參數(shù)模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)求解。第四章，根據(jù)已建立好的機(jī)器人參數(shù)模型，進(jìn)行機(jī)器人動力學(xué)模型的建立，并進(jìn)行動力學(xué)分析，采用B樣條方法對機(jī)器人運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃。第五章，使用adams等仿真軟件進(jìn)行機(jī)器人各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)仿真，驗(yàn)證所建立參數(shù)模型的正確性。57第二章 六自由度機(jī)器人的虛擬設(shè)計(jì)第二章 六自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1本設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人為一類六自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，是現(xiàn)階段在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍的串聯(lián)型機(jī)器人，該類型機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制簡單以及運(yùn)動空間范圍大等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)對六自由度工業(yè)機(jī)器人的典型設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹，完成了六自由度機(jī)器人的主要本體結(jié)構(gòu)類型介紹、各種驅(qū)動裝置的布置方案分析、傳動結(jié)構(gòu)類型設(shè)計(jì)等，最終完成對所設(shè)計(jì)機(jī)器人主要零部件幾何建模，并分析驗(yàn)證了機(jī)器人的主要零部件的強(qiáng)度，確保設(shè)計(jì)的合理性。2.2 機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案與分析本文以某型號六自由度機(jī)器人為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)了一款工業(yè)機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為六自由度的串聯(lián)形式的工業(yè)機(jī)器人，因此選用關(guān)節(jié)坐標(biāo)型機(jī)器人，該類機(jī)器人特點(diǎn)是工作空間較廣，機(jī)械結(jié)構(gòu)靈便，應(yīng)用范圍廣，并能繞過機(jī)身和工作主機(jī)之間的障礙物去抓取對象。機(jī)器人各主要零部件的驅(qū)動裝置主要采用電機(jī)驅(qū)動，主要使用步進(jìn)和伺服兩種電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。機(jī)器人的機(jī)械本體由六個(gè)關(guān)節(jié)組成，分別為底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部等組成。機(jī)器人的執(zhí)行器安裝在手部位置，通過安裝不同的工具來完成不同的任務(wù)需求。它們分別由六個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，分別完成腰部的回轉(zhuǎn)，大臂的俯仰，小臂的俯仰，手腕的回轉(zhuǎn)，手腕的俯仰和手部的回轉(zhuǎn)。機(jī)器人的額定負(fù)載為6Kg。負(fù)載的主要類型為承載恒定負(fù)載，也可為變動負(fù)載。機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)部件的技術(shù)參數(shù)包括以下幾點(diǎn)：1.自由度數(shù)目，機(jī)器人自由度數(shù)目越多，機(jī)器人在工作空間的運(yùn)動越靈活，使其可以以任意姿態(tài)到達(dá)目標(biāo)位置。2.精度，即工作過程中機(jī)器人實(shí)際到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的精確程度。3.重復(fù)定位精度，機(jī)器人重復(fù)到達(dá)某一目標(biāo)位置的誤差范圍，其為檢驗(yàn)機(jī)器人工作性能優(yōu)劣的主要參數(shù)之一。4.機(jī)器人的工作空間范圍以及邊界速度特性，此特點(diǎn)是機(jī)器人在工業(yè)上的適用范圍的重要參考條件。5.機(jī)器人的負(fù)載大小。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式如圖2.1所示：該機(jī)構(gòu)一共包括了1-6共六個(gè)軸。軸1，軸4，軸6為三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，由各電機(jī)驅(qū)動并經(jīng)減速器減速以達(dá)到增大輸出扭矩進(jìn)而來帶動各自旋轉(zhuǎn)軸及其以后各部件繞該電機(jī)軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。其余3軸為三個(gè)擺動軸，亦由減速器連接電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動各關(guān)節(jié)部件進(jìn)行運(yùn)動。本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人各主要部件的組成及其功能如下：(1)底座：主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)部件以及傳動裝置和外殼等。底座是固定在圖2. 1機(jī)器人結(jié)構(gòu)類型圖Fig 2.1The structuretypeof robot基座上的，用來支撐機(jī)器人，驅(qū)動件電機(jī)采用固定于基座上的安裝方式。(2)腰部回轉(zhuǎn)部件：腰部部件包括驅(qū)動器步進(jìn)電機(jī)、傳遞運(yùn)動的傳動機(jī)構(gòu)以及制動器等，主要起到支撐機(jī)器人各部件和傳遞運(yùn)動的作用。(3)大臂部件：外殼以及傳動部件和驅(qū)動電機(jī)，是機(jī)器人重要的傳動部件之一。(4)小臂部件：包括小臂外殼、傳動部件等。(5)手腕部件：包括手腕外殼、傳動裝置和驅(qū)動器等。(6)手部部件：手部包括抓取各種物體的手爪，用來滿足不同應(yīng)用場合的需求?，F(xiàn)在將各關(guān)節(jié)軸的最大轉(zhuǎn)速確定如下： 關(guān)節(jié)一： 140/s 0.389r/s ； 關(guān)節(jié)二： 140/s 0.389r/s ； 關(guān)節(jié)三： 140/s 0.389r/s ； 關(guān)節(jié)四： 270/s 0.75r/s ； 關(guān)節(jié)五： 270/s 0.75r/s ； 關(guān)節(jié)六： 270/s 0.75r/s ；各關(guān)節(jié)的最大工作范圍： 關(guān)節(jié)一： 腰部回轉(zhuǎn) -180 150 關(guān)節(jié)二： 大臂擺動 -125 30 關(guān)節(jié)三： 小臂擺動 -120 150 關(guān)節(jié)四： 手腕回轉(zhuǎn) -360 360 關(guān)節(jié)五： 手腕俯仰 -180 150 關(guān)節(jié)六： 手部回轉(zhuǎn) -360 360本文將機(jī)器人各主要部件的尺寸以及質(zhì)量設(shè)置如下：底座質(zhì)量初定為12.4Kg,其尺寸為410*410*160mm；腰部關(guān)節(jié)質(zhì)量為14Kg，其尺寸為110*200*125mm；大臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為7.6Kg，其尺寸為110*120*500mm；小臂結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為8Kg，其尺寸75*100*150mm；手腕部分關(guān)節(jié)的質(zhì)量為1.7Kg，其尺寸為60*60*150mm；手部關(guān)節(jié)的質(zhì)量為0.5Kg，其尺寸為45*45*70mm。為了使所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加可靠，工作過程中運(yùn)行更加平穩(wěn)，使噪聲及振動達(dá)到最低，在對機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)，機(jī)器人系統(tǒng)的負(fù)載大小與機(jī)器人自身自重比應(yīng)該盡可能大些，機(jī)器人靜態(tài)、動態(tài)剛度系數(shù)應(yīng)盡可能大些，提高所設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人的固有頻率以減少振動，盡量降低各連桿部件的質(zhì)量，選取合理的材質(zhì)，機(jī)器人各主要部件的材質(zhì)盡可能選的輕些。2.2.1 底座的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)器人底座部分主要包括驅(qū)動機(jī)構(gòu)步進(jìn)電機(jī)以及傳動機(jī)構(gòu)和外殼等。將底座固定于基座上，用于支撐整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，驅(qū)動器固定安裝在底座內(nèi)部。底座部分采用的傳動方式為圓錐齒輪傳動。齒輪傳動具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、壽命長以及傳動比穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，適用于傳動距離不大的場合，是機(jī)器人傳動系統(tǒng)較常使用的傳動方式。取機(jī)器人六個(gè)主要部件繞各自軸的軸線的自身轉(zhuǎn)動慣量分別為，.；由理論力學(xué)可得系統(tǒng)其余部件對第一關(guān)節(jié)軸的等效轉(zhuǎn)動慣量為： (2.1) 因?yàn)?因此，.可忽略不計(jì)，即 (2.2)為機(jī)器人各關(guān)節(jié)部件的幾何重心到首個(gè)關(guān)節(jié)軸的尺寸，大小如下，；代入數(shù)據(jù)： 根據(jù)邊界條件設(shè)計(jì)，底座主軸的速度為140/s，則系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)矩可表示為 (2.3)假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則 =0.36(140/180)0.2=4.4Nm；設(shè)最大的速度為2m/s,關(guān)節(jié)最大速度為140/s，即角速度根據(jù)扭矩以及速度特性選擇步進(jìn)電動機(jī)的型號為86BYGH150,底座的結(jié)構(gòu)圖如下：圖2. 2 底座剖視圖Fig 2.2The view of basesection 圖2. 3 底座傳動系統(tǒng)裝配圖Fig 2.3 The transmission system diagram of baseassembly 2.2.2 腰部的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)器人腰部部件包括腰部外殼、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)、制動器等部件，其作用是連接機(jī)器人大臂與底座，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動，是機(jī)器人的主要運(yùn)動部件之一。因?yàn)檠拷Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的空間有限，將電機(jī)放置在腰部的一側(cè)，固定在腰部的支架上。腰部的結(jié)構(gòu)在機(jī)座上，與機(jī)座的傳動軸相連，機(jī)座采用錐齒輪傳動，從而帶動腰部結(jié)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動，腰部的傳動裝置采用的是圓柱齒輪傳動。圖2. 4 腰部結(jié)構(gòu)圖Fig 2.4The structure diagram waist同理，由理論力學(xué)知識可得系統(tǒng)其余部件相對于第二關(guān)節(jié)軸的系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量為: (2.4)分別為各自部件的重心到第二關(guān)節(jié)軸線的長度，大小如下，;代入數(shù)據(jù)： 若主軸角速度為140/s，那么機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動初始階段的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下： 假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則 T=2.02(140/180)0.2=24.68 Nm;由于該關(guān)節(jié)的極限運(yùn)行速度為2m/s，關(guān)節(jié)極限角速度為140/s，即角速度由以上計(jì)算參數(shù)選擇機(jī)器人的腰部結(jié)構(gòu)電機(jī)型號選擇為57BYG250-76步進(jìn)電機(jī)。在此選用步進(jìn)電機(jī)是因?yàn)?1)步進(jìn)電機(jī)步距值不受各種干擾因素的影響。如電壓的大小，電流的數(shù)值、波形、溫度的變化等。(2)誤差不長期積累，步進(jìn)電機(jī)每走一步所轉(zhuǎn)過的角度與理論步距之間總有一定的誤差，從某一步到任何一步，也總有一定的累積誤差，但是，每轉(zhuǎn)一圈的累積誤差為零，所以步距的累積誤差不是長期的累積下去。(3)控制性能好，啟動、停車、翻轉(zhuǎn)都是在少數(shù)脈沖內(nèi)完成，在一定的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，任何運(yùn)動方式都不會丟失一步。所以，步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人部件上。圖2. 5 腰部齒輪裝配圖Fig2.5The gearassembly drawing of waist2.2.3大臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)在機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中處于承上啟下的連接作用，是機(jī)器人的主要組成部件之一。大臂結(jié)構(gòu)由大臂外殼，傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)等部件組成，并且將傳動裝置和電機(jī)等置于機(jī)體內(nèi)部。大臂的外機(jī)體與腰部結(jié)構(gòu)的輸出軸相連，從而能夠滿足腰部傳動帶動大臂結(jié)構(gòu)的俯仰。大臂的傳動方式為是同步帶傳動。圖2. 6 機(jī)器人大臂結(jié)構(gòu)裝配圖Fig 2.6The arm structureassembly diagram of robot由理論力學(xué)知識可得系統(tǒng)其余部件相對于第三關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量如下：； (2.5)是其余部件中心到第三關(guān)節(jié)軸線的尺寸，其數(shù)值為，；代入數(shù)據(jù)： 如果主軸轉(zhuǎn)動角速度為140/s，則運(yùn)行開始階段系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩大小為， 假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則 T=0.515(140/180)0.2=6.29Nm；設(shè)關(guān)節(jié)運(yùn)行的速度最大值為2 m/s,角速度最大值為140/s，即角速度根據(jù)以上參數(shù)將大臂部分的電機(jī)型號選擇為42BYG33-AG26步進(jìn)電機(jī)。機(jī)器人大臂部件的傳動系統(tǒng)圖如圖所示：圖2. 7 大臂傳動系統(tǒng)圖Fig 2.7Thedriving system graph of big arm2.2.4小臂的設(shè)計(jì)與計(jì)算小臂結(jié)構(gòu)由小臂外殼、傳動裝置、驅(qū)動裝置等部件組成，并且將傳動裝置和電機(jī)等置于小臂外殼內(nèi)部。小臂的外殼與大臂結(jié)構(gòu)的輸出軸相連，從而能夠滿足大臂的輸出軸傳動帶動小臂結(jié)構(gòu)的俯仰運(yùn)動。小臂部件的傳動方式采用的是較為常用的圓柱齒輪傳動。由理論力學(xué)知識得機(jī)器人系統(tǒng)相對于第四關(guān)節(jié)部件的轉(zhuǎn)動慣量為： (2.6) 表示剩余三個(gè)關(guān)節(jié)部件到第四關(guān)節(jié)軸的尺寸，尺寸大小由圖可得10mm，5mm，10mm。圖2. 8 小臂裝配圖Fig 2.8 Theassembly drawing of arm代入數(shù)據(jù)：假定主軸的初始運(yùn)動速度是270/s，則該關(guān)節(jié)運(yùn)動起始階段的轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為，假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則T=0.0009(270/180)0.2=0.013Nm；設(shè)關(guān)節(jié)部件的極限的速度為2 m/s，關(guān)節(jié)部件的極限角速度為270/s，即角速度將小臂部分的電機(jī)選擇為42BYG33-AG26步進(jìn)減速電機(jī)，其結(jié)構(gòu)圖如下：圖2. 9 小臂結(jié)構(gòu)裝配圖Fig 2.9 The schematic diagram ofthe small armassembly圖2. 10 小臂齒輪裝配圖Fig 2.10 The gearassembly of small arm2.2.5手腕的設(shè)計(jì)與計(jì)算手腕結(jié)構(gòu)由手腕外殼，傳動裝置，驅(qū)動裝置等部件組成，為了使手腕結(jié)構(gòu)更加緊湊將傳動裝置和電機(jī)等裝置置于機(jī)體內(nèi)部。手腕的外機(jī)體與小臂結(jié)構(gòu)的輸出軸相連，從而能夠滿足小臂傳動帶動手腕結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)的傳動系統(tǒng)采用的是同步帶進(jìn)行系統(tǒng)的傳動，之所以選用同步帶進(jìn)行傳動，主要是因?yàn)槭紫裙ぷ鲿r(shí)無滑動，有準(zhǔn)確的傳動比。同步帶傳動是一種嚙合傳動，雖然同步帶是彈性體，但由于其中承受負(fù)載的承載繩具有在拉力作用下不伸長的特性，故能保持帶節(jié)距不變，使帶與輪齒槽能正確嚙合，實(shí)現(xiàn)無滑差的同步傳動，獲得精確的傳動比。其次，由于同步帶作無滑動的同步傳動，故有較高的傳動效率，一般可達(dá)0.98，有明顯的節(jié)能效果，傳動效率高。最后，傳動比范圍大，結(jié)構(gòu)緊湊，同步帶傳動的傳動比一般可達(dá)到10左右，而且在大傳動比情況下，其結(jié)構(gòu)比三角帶傳動緊湊。因?yàn)橥綆鲃邮菄Ш蟼鲃樱鋷л喼睆奖纫揽磕Σ亮韨鬟f動力的三角帶帶輪要小得多，此外由于同步帶不需要大的張緊力，使帶輪軸和軸承的尺寸都可減少。所以與三角帶傳動相比，在同樣的傳動比下，同步帶傳動具有較緊湊的結(jié)構(gòu)根據(jù)手腕尺寸設(shè)計(jì)出手腕的三維圖如圖2.11所示：由以上計(jì)算各部件的轉(zhuǎn)動慣量，同理可得： (2.7)是剩余兩部件到手腕部件中心的尺寸，數(shù)值大小是;代入數(shù)據(jù)：圖2. 11 手腕結(jié)構(gòu)Fig 2.11The structure of wrist同理將主軸角速度設(shè)定為270/s，起始階段的轉(zhuǎn)矩為，假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則 T=0.0009(270/180)0.2=0.013Nm；設(shè)最大的速度為2 m/s,關(guān)節(jié)最大速度為270/s，即角速度手腕結(jié)構(gòu)部分電機(jī)選擇型號為AX-12 Dynamixel的數(shù)字舵機(jī)。手腕部分的結(jié)構(gòu)圖如下：圖2. 12 手腕部分裝配圖Fig2.12The assembly drawing of wrist part圖2. 13 手腕部分裝配剖視圖Fig 2.13The wrist partassemblysection view2.2.6手部的設(shè)計(jì)與計(jì)算手部結(jié)構(gòu)由手部的外殼、傳動裝置以及驅(qū)動裝置等部件組成，設(shè)計(jì)時(shí)將傳動裝置和電機(jī)等置于機(jī)體內(nèi)部。手部的外殼與手腕結(jié)構(gòu)的輸出軸相連，從而能夠滿足手腕傳動帶動手部結(jié)構(gòu)的俯仰。手部部件的傳動系統(tǒng)采用的是斜齒輪傳動方式。采用斜齒輪傳動是因?yàn)樾饼X輪主要是能夠提高齒輪嚙合的重合度，使齒輪傳動平穩(wěn)，降低噪音，承載能力強(qiáng)，可以提高傳動齒輪齒根的彎曲強(qiáng)度、齒面的接觸強(qiáng)度。圖2. 14 手部結(jié)構(gòu)Fig 2.14 The structure of hand同理可得， (2.8)為安裝手抓結(jié)構(gòu)重心到第六關(guān)節(jié)軸的尺寸大小，大小是；帶入數(shù)據(jù)： 設(shè)主軸極限角速度為270/s，起始階段所需轉(zhuǎn)矩為，假設(shè)加速時(shí)間為0.2s，則T=0.0009(270/180)0.2=0.013Nm;設(shè)該結(jié)構(gòu)極限的速度為2m/s,關(guān)節(jié)極限角速度為270/s，即角速度根據(jù)以上參數(shù)將手部部分的電機(jī)型號選擇為42BYG33-AG26步進(jìn)電機(jī)。手部結(jié)構(gòu)的傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維模型圖如圖2.15所示，從圖中可以看出，該手部結(jié)構(gòu)比較緊湊。圖2. 15 手部傳動系統(tǒng)圖Fig 2.15 The transmission system diagram of hand 2.3機(jī)器人各關(guān)節(jié)部件減速器的選型機(jī)器人各關(guān)節(jié)部件的減速器對機(jī)器人各關(guān)節(jié)的傳動平穩(wěn)性具有重要影響?，F(xiàn)階段，機(jī)器人傳動系統(tǒng)中使用的減速器主要有兩種分別為RV減速器和諧波減速器， RV減速器是近幾年發(fā)展起來的擺線針輪減速器，該類減速器具有減速比較大、傳遞運(yùn)動精度高、結(jié)構(gòu)緊湊，在一定條件下具有自鎖的功能并且運(yùn)行平穩(wěn)、振動小、耗能較低等特點(diǎn)，適用于高速重載場合。第二類減速器是新近發(fā)展的一類減速器。諧波減速器具有大速比、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)尺寸小、重量小、轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，適宜于機(jī)器人所有關(guān)節(jié)，諧波減速器相較于RV減速器的使用成本要低很多。鑒于本文設(shè)計(jì)的為載荷較輕的工業(yè)機(jī)器人，以及從成本考慮，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用諧波減速器。將底座以及大臂選用減速比為30:1的諧波減速器。2.4機(jī)器人小臂的應(yīng)力分析圖形小臂結(jié)構(gòu)是機(jī)器人的主要承載部件，起到連接以及傳遞運(yùn)動的作用。小臂結(jié)構(gòu)的應(yīng)力性能對整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)在工作過程中運(yùn)行的可靠性具有重要意義。機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果對小臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，將小臂結(jié)構(gòu)單純的等效為簡支梁模型將會使校核不夠精確，不能完全符合機(jī)器人的實(shí)際工作情況，若要對機(jī)器人進(jìn)行較為準(zhǔn)確的校核，應(yīng)導(dǎo)入小臂結(jié)構(gòu)的完整模型，運(yùn)用有限元分析法對小臂部件進(jìn)行分析可以有效地解決此類問題26。本文采用機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件ansys采用有限元方法對機(jī)器人小臂部件進(jìn)行形變、應(yīng)力分析，對該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核。有限元方法即將較復(fù)雜的求解問題進(jìn)行分解求解，把所需求解問題分割為一些小型單元進(jìn)行求解，并對各個(gè)小型單元進(jìn)行數(shù)學(xué)微分求解，將諸多小型單元求和并取極值，最后將全部微小單元進(jìn)行綜合，得到具有邊界約束的數(shù)學(xué)模型27,28。Ansys為當(dāng)今世界主要使用的機(jī)械系統(tǒng)分析軟件中重要的軟件。Workbench是ANSYS公司開發(fā)推出的一種仿真環(huán)境，可對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。Workbench在仿真結(jié)果后處理、模型網(wǎng)格的劃分等方面相對于經(jīng)典ansys版本有較大的改進(jìn)。使得通過workbench仿真后的結(jié)果更加逼真，使得結(jié)果更加準(zhǔn)確切合實(shí)際。在workbench中對機(jī)械系統(tǒng)的分析主要有以下幾個(gè)步驟：1.對于簡單的零件可以在workbench中直接進(jìn)行建模，對于較復(fù)雜的零件可由其他CAD三維建模軟件進(jìn)行建模并導(dǎo)入workbench中進(jìn)行分析。2.選擇模型的分析模塊類型。3.選擇結(jié)構(gòu)模型的單位，在軟件Design Modeler中對模型進(jìn)行單位的定義。4.根據(jù)所設(shè)計(jì)的模型的材質(zhì)，在模型中添加材料類型。5.對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，workbench提供了強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，用戶可以根據(jù)需要對模型選擇不同的網(wǎng)格劃分方法對所導(dǎo)入的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。6.對模型添加載荷以及約束。7.對模型選擇求解方法，workbench具有強(qiáng)大的求解器，可對模型進(jìn)行形變以及應(yīng)力進(jìn)行分析。由于小臂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以本文采用運(yùn)用三維建模軟件solidworks建立三維模型，然后導(dǎo)入workbench中分析。第一步，選擇機(jī)械系統(tǒng)靜力學(xué)分析模塊并將建立好的模型導(dǎo)入軟件中。在workbench的Design Modeler中檢查模型，并將模型單位設(shè)置為毫米并生成小臂結(jié)構(gòu)模型。在mechanical中定義模型的材料為結(jié)構(gòu)鋼。對模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格，考慮到小臂的結(jié)構(gòu)特征本文采用默認(rèn)的劃分方式。然后對模型添加載荷以及約束。小臂模型的載荷主要分為兩部分，一部分是各部件自身重力以及負(fù)載平移到小臂上的力，另一部分是力平移過程中產(chǎn)生的力矩。力矩大小為9.504KN對小臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束的添加。最后添加不同的求解器，求解出其結(jié)構(gòu)的形變量及所受應(yīng)力。機(jī)器人小臂關(guān)節(jié)的經(jīng)過劃分網(wǎng)格得到的網(wǎng)格單元類型為SOLID187。求解后機(jī)器人小臂部件的求解結(jié)果如下表，該結(jié)構(gòu)的最大形變量為0.020535 mm，該結(jié)構(gòu)的所受到的最大應(yīng)力大小為4.9402MPa，由于結(jié)構(gòu)鋼的屈服極限為355MPa，抗拉強(qiáng)度為610MPa，所以該機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)完全滿足實(shí)際工況，設(shè)計(jì)較為合理。表2. 1 小臂有限元分析結(jié)果Table 2.1The results of finite element analysis ofsmallarms參數(shù)名稱 最大應(yīng)力/MPa 最小應(yīng)力/MPa 最大形變/mm 大小 4.9402 0 0.020535從workbench所得結(jié)果中可以看出，機(jī)器人小臂結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于所選材料的屈服極限，安全系數(shù)較大，設(shè)計(jì)符合要求，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)盡量保證機(jī)器人各關(guān)節(jié)的剛度，進(jìn)而保證工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際的工作中可達(dá)到較高的操作精度。圖2. 16小臂有限元網(wǎng)格Fig 2.16 Finite elementmesh of small arm圖2. 17小臂結(jié)構(gòu)應(yīng)變云圖Fig 2.17 The strain nephogram ofthe small arm圖2. 18 工業(yè)機(jī)器人小臂的應(yīng)力云圖Fig 2.18 The stress nephogram of the industrial robotarm2.5總結(jié)本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人為關(guān)節(jié)型機(jī)器人，本文對六自由度機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要完成了對機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)器