六自由度機器人運動分析與優(yōu)化

1、 WORD 15/20 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）題目（中文） 六自由度機器人運動分析與優(yōu)化 （英文） Motionanalysis and optimization of6-DOF robot 學 院 信息與機電工程學院 院 年級專業(yè) 2013級汽車服務(wù)工程（中德） ） 學生 吳子璇 正 學 號 130154494 7 指導教師 安 完 成 日 期 2017 年 3 月摘要當今世界，工業(yè)化日趨成熟，機器人被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，最常用到的有四自由度，六自由度機器人。其中，自動化水平較高的汽車制造業(yè)和電子裝配業(yè)經(jīng)常常常要使用到六自由度機器人。因此對其實施運動學分析，是進行科學設(shè)計的基礎(chǔ)，

2、也是降低機器人生產(chǎn)成本，優(yōu)化機器人運動軌跡的前提。此外，運動分析過程有效的模擬了機器人運動的真實情況，有助于提供有效可行的優(yōu)化方案。 本文主要探討六自由度機器人的運動分析，基于經(jīng)典運動學以與動力學的研究方法概念，首先通過solidworks做出機械臂各部分零件的三維圖，然后通過SolidWorks裝配出六自由度機器人機械臂的三維模型。 通過該模型，選取其中一個關(guān)節(jié)和底座，并用SolidWorks進行運動學分析，對六自由度機器人的運動學和動力學計算方法進行了仿真驗證。 最后得到六自由度機器人的其中一個自由度的運動仿真實例。通過對該運動仿真實例的分析，得出最佳優(yōu)化方案，優(yōu)化機器人的運動軌跡提高機器

3、人的工作效率，降低機器人生產(chǎn)成本。關(guān)鍵詞：六自由度機器人；運動分析；運動學；動力學；目錄 TOC o 1-3 u 摘要 PAGEREF _Toc478841116 h IAbstract PAGEREF _Toc478841117 h II1 緒論 PAGEREF _Toc478841119 h 11.1課題背景與研究的目的和意義 PAGEREF _Toc478841120 h 11.2機器人國外發(fā)展現(xiàn)狀與前景展望12 六自由度機器人運動學分析 PAGEREF _Toc478841121 h 1 2.1六自由度機器人的結(jié)構(gòu)12.2運動學分析13 六自由度機器人動力學分析 PAGEREF _To

4、c478841122 h 33.1綜述33.2機器人動力學研究方法3 3.2.1幾項假設(shè)3 3.2.2目標4 3.2.3數(shù)學工具53.3動力學原理33.3.1動量矩定理63.3.2能量守恒定理6 3.3.3牛頓歐拉方程7 3.3.4達朗貝爾原理8 3.3.5拉格朗日方程94 六自由度機器人運動分析 PAGEREF _Toc478841123 h 34.1運動分析的軟件背景3 4.2運用solidworks建立六度機器人機械臂三維模型9 4.3運用Solidworks對進行運動學分析45 結(jié)論 PAGEREF _Toc478841124 h 4參考文獻 PAGEREF _Toc478841125

5、 h 51 緒論1.1 課題背景與研究的目的和意義新世紀以來，在越來越多的對于自動化，機械化要求較高的領(lǐng)域都需要用到機器人。其中，又以四自由度和六自由度機器人的用途最為廣泛。機器人的研究發(fā)展涉與多個學科領(lǐng)域，是帶動社會生產(chǎn)力發(fā)展的強大推動力。綜合看來，機器人的時代很快就要來臨，機器人革命很有可能成為第三次工業(yè)革命。機器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長，該產(chǎn)業(yè)被大量投入到汽車制造和電子裝配等產(chǎn)業(yè)。通過國際機器人協(xié)會提供的數(shù)據(jù)估計來看，截止到2020年，全球用于工業(yè)生產(chǎn)的機器人產(chǎn)量很有可能高達150萬。中國的現(xiàn)代化進展迅猛，在中國發(fā)展的大力推動下，中國乃至亞洲即將成為一個極具發(fā)展活力的龐大的機器人市場。動力學

6、是在機器人的設(shè)計過程中必不可少的一個重要考慮因素，本文通過SolidWorks對機械臂進行三維建模，進而通過SolidWorks Motion做運動學仿真，據(jù)此來分析機器人運動過程的動態(tài)特性，這是后續(xù)的運動控制、與優(yōu)化設(shè)計有效的數(shù)據(jù)支撐，能夠有效規(guī)避產(chǎn)品研發(fā)周期過長的情況。1.2機器人國外發(fā)展現(xiàn)狀與前景我國在機器人方面的探究工作起步較晚于日本與歐美國家，我國的機器人研究起步于1980年前后。由于機器人科技的研究與發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義，因此從那時起，我國就將機器人的研究應(yīng)用作為重要研究對象。經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，我國已有多所高校和研究院都能夠獨立對機器人進行研究和研發(fā)。高校和研究院由于掌握著豐富

7、的教育科技資源，是非常好的機器人研發(fā)平臺。由于缺乏經(jīng)驗和技術(shù)支持，早期的機器人研究項目很大一部分依賴于借鑒國際上先進的機器人研究技術(shù)，到現(xiàn)在為止，我國在機器人上的研究已經(jīng)頗有建樹。較為值得一提的研究成果如下：無纜深潛機器人,遙控移動作業(yè)機器人,2000年國防科技大學研制的兩足類人機器人,航空航天大學開發(fā)出的三指靈巧手等。然而，盡管近年來機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢若破竹，我國的機器人行業(yè)存在著自主研發(fā)能力孱弱，政府補貼不夠完善，由于盲目投資導致的低端產(chǎn)能過剩的情況。雖然存在這些不足，我國的機器人市場還是很具發(fā)展?jié)摿Φ摹Ａ硪环矫?，我國機器人行業(yè)的爆發(fā)式增長也是時代發(fā)展的需求。在發(fā)展中國家中，我國是最具活力潛

8、力的大國經(jīng)濟體，盡管我國經(jīng)濟正處于高速增長時期，但是我國和日本一樣正邁入一個老齡化社會，勞動力正日益減少，因此我國迫切需要加大對機器人的研究力度。我國機器人行業(yè)有以下幾個顯著特征：第一，機器人技術(shù)對于我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變尤為重要，政府應(yīng)該加大對國機器人在政策與經(jīng)濟上的扶持力度，積極借鑒海外優(yōu)秀經(jīng)驗，全力擴大創(chuàng)新與技術(shù)投入。第二，國家的科技發(fā)展總方針中，鼓勵創(chuàng)新型的機器人項目，調(diào)動創(chuàng)造積極性。應(yīng)大力支持機器人研發(fā)與機器人應(yīng)用，以此協(xié)調(diào)產(chǎn)品的生產(chǎn)與自動化。第三，一些國制造的機器人其技術(shù)水平已經(jīng)能夠和國外分庭抗禮，企業(yè)采購時應(yīng)綜合考慮，不能盲目買國外的機器人。現(xiàn)在，我國各行各業(yè)對“用機器人代

9、替人工作”的呼聲越來越高。我相信，只要國家高度重視機器人業(yè)的發(fā)展，改變機器人生產(chǎn)的基本架構(gòu)，將重心放在機器人技術(shù)的自主研發(fā)上，充分利用高校，研究院，企業(yè)等前端研究平臺，加快機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新建設(shè)，一定可以破解機器人行業(yè)共性的難題，作為代表時代科學技術(shù)發(fā)展最前端的機器人發(fā)展前景甚是喜人。到目前為止，我國已經(jīng)擁有超過4000臺成熟的機器人，這些機器人主要被用于一些科學技術(shù)發(fā)達的地區(qū)，國際圍的機器人大概有83萬，往往是位于歐美，日本等發(fā)達國家。在對其研發(fā)方面，我國目前到達的技術(shù)水平尚不能與發(fā)達國家的技術(shù)水平持平。美國是世界上首個成功研究出機器人的國家。美國能夠躋身機器人強國之列并非浪得虛名。美國在機器人

10、方面不僅起步早，而且其原有技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)新實力雄厚，各方面技術(shù)水平在全世界都堪稱第一。日本對工業(yè)機器人的研發(fā)比美國稍晚約五年左右，但是日本本國的工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，很快就躋身世界機器人強國之列，從一個機器人弱國搖身變?yōu)椤肮I(yè)機器人王國”。日本的工業(yè)機器人各個方面如生產(chǎn)、出口和使用上的發(fā)展在世界上都遙遙領(lǐng)先。不僅如此，日本的工業(yè)機器人保有量長期以來遠遠高于其它國家。相比之下，歐美各國的機器人保有量雖然增長趨勢較為緩慢但一直亦呈現(xiàn)上升趨勢，近年來才慢慢開始有了較大的增長。德國是除日本和美國之外的第三大工業(yè)機器人強國，其掌握著對智能機器人的研究和應(yīng)用最核心也最為先進的技術(shù)。最常見的機器人有六自

11、由度以與四自由度機器人。按照ISO對其的定義：工業(yè)機器人是一種有著較多功用的、能夠反復編程的自動控制操作機(Manipulator)，有著超過3個以上編程的軸，使用于工業(yè)自動化行業(yè)中。為實現(xiàn)相應(yīng)的功能，機器人最后一個軸的接口，往往為一個連接法蘭，能夠裝置不同的器械。對機器人的定義是:“一種自動定位控制、能夠反復進行編程的、多功用以與多自由度的機器?？梢酝ㄟ^一定的設(shè)計去完成各種作業(yè)?！倍壳傲杂啥葯C器人被廣泛地用于各行各業(yè)，且隨著社會的進步和發(fā)展，日新月異下對六自由度機器人提出更多的新的需求和要求。因此，對六自由度機器人的運動進行研究具有非常重要的意義。2 機器人運動學分析2.1六自由度機器人

12、的結(jié)構(gòu)相對于四自由度機器人，六自由度機器人具有六個自由度。六自由度機器人的機械臂具有底座，轉(zhuǎn)臺，大臂、肩部、小臂、手腕、末端執(zhí)行器七個部分。六自由度機器人的六個自由度為：轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰以與手腕回轉(zhuǎn)。詳見圖1.1。圖1.1機械臂的六個關(guān)節(jié)的運動是有一定的局限的，如圖1.2圖1.22.2運動學分析機器人運動學研究主要包括兩個方面的問題，一個方面是正運動學問題，另一個方面是逆運動學的問題。正運動學問題中，我們把關(guān)節(jié)變量當做是已知變量，通過正運動學方程來確定機器人機械臂的位姿。然后通過逆運動學方程，計算求得每一關(guān)節(jié)變量的值。使用逆運動學設(shè)法找到運動方程的逆，該方程中沒

13、有己知變量，所以不能使用將已知量代入正向運動學方程求解的方法。逆運動學通過求得的運動方程的逆，進一步求得我們要算的那個關(guān)節(jié)變量，這樣機器人才能處于我們想要得到的位姿。 實踐表明，逆運動學分析比正運動學分析更加重要，機器人部有控制器，控制器計算關(guān)節(jié)值時需要用到這些方程，并以此來運行機器人，這樣機器人就能到達期望的位姿。六自由度機器人的位置逆解問題是機器人領(lǐng)域的一個難題也是非常熱門的一個問題。逆解方程中得到的輸出方程在理論研究方面意義重大。實際應(yīng)用方面，逆解方程也是機器人軌跡規(guī)劃和運動分析的基本條件。3六自由度機器人動力學分析3.1綜述若要對其進行運動狀態(tài)的分析，就需要一個媒介來清楚地表示機器人的

14、運動軌跡。三維空間物體的運動軌跡怎樣才能直觀地表示出來呢，三維空間的點線面應(yīng)該用什么媒介才能表達清楚呢，答案是矩陣?？臻g坐標系能夠使用這個坐標系相對參考坐標系的三個方向向量以與一個位置向量進行表示。在空間坐標系也就是所謂的笛卡爾坐標系中，剛體的所處位置能夠使用三個方向向量以與一個位置向量的空間坐標系來表示。3.2機器人動力學研究方法：3.2.1幾項假設(shè)1、機器人的所有零部件都被視作剛體，不考慮其彈性形變。2、間隙等因數(shù)不在考慮圍。3、機器人驅(qū)動系統(tǒng)不屬于考慮因素。3.2.2目標通過對六自由度機器人的結(jié)構(gòu)特點、以動力學原理為指導理論，由此快速建立運動學方程。3.2.3數(shù)學工具矢量方法、慣性矩陣與

15、矩陣方法等。3.3力學原理力學原理分為：動量矩定理、能量守恒定理、牛頓歐拉方程、達朗貝爾原理、拉格朗日方程、哈密爾頓原理、凱恩方程等。3.3.1動量矩定理積分形式的動能定理假定參考系為質(zhì)點系，質(zhì)點的質(zhì)量記為mi，該質(zhì)點受到的外力求和記為和力求和記為共同施加的力的作用，記加速度為，做曲線運動在某點瞬時的速度為式中dAi（e）和dAi（i）分別為質(zhì)點i上外力和力的元功。T2-T1=dAi（e）+dAi（t）（1）式中T1，為質(zhì)點系的做工初始動能；T2為質(zhì)點系做功終了動能。式（1）是質(zhì)點系的動能定理的積分形式，該式的含義是:質(zhì)點系總動能的變化量等于它所受外力做功總和。質(zhì)點系動能定理的微分形式：將式（

16、1）兩邊除以dt，得：（2）式中為外力的功率；為力的功率。式（2）是質(zhì)點系的動能定理的微分形式，它表明；質(zhì)點系的總動能單位時間的變化等于質(zhì)點系所受外力合理單位時間做功和。根據(jù)質(zhì)點的定義，質(zhì)點也屬于質(zhì)點系的一種，對質(zhì)點分析時，該定理同樣適用。有趣的是，質(zhì)點和剛體，力所做功的總和始終為零，質(zhì)點的定義決定其不受力作用，而剛體始終受一對等價力的作用，因此，他們力所做的功始終為零。3.3.2能量守恒定理 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E8%83%BD%E9%87%8F%E5%AE%88%E6%81%92%E5%AE%9A%E5%BE%8B t _blank 能量守恒定律也

17、就是 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%83%AD%E5%8A%9B%E5%AD%A6%E7%AC%AC%E4%B8%80%E5%AE%9A%E5%BE%8B t _blank 熱力學第一定律，是指在一個不與外界發(fā)生任何形式能量的交換的系統(tǒng)也即是我們常說的密閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能量是一個定值。其中總能量不僅僅指狹義的將 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%8A%A8%E8%83%BD t _blank 動能與 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%8A%BF%E8%83%BD t _blank 勢能相加

18、，這個時候不能忽略靜止能量，三者相加才是總能量。3.3.3牛頓歐拉方程在理想狀態(tài)下，即滿足我們假設(shè)條件的情況下，我們必須加速或減速運動桿件，其所需要的力或力矩是所需加速度和桿件質(zhì)量分布的函數(shù)；牛頓方程和用于轉(zhuǎn)動情況的歐拉方程一起，描述了機器人驅(qū)動力矩、負載力（力矩）、慣量和加速度之間的關(guān)系。3.3.4達朗貝爾原理其定義為：對任何一個 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%89%A9%E7%90%86%E7%B3%BB%E7%BB%9F t _blank 物理系統(tǒng)來說，其中的 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E6%83%AF%E6%80

19、%A7%E5%8A%9B t _blank 慣性力以與外界提供的力，通過符合 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%BA%A6%E6%9D%9F%E6%9D%A1%E4%BB%B6 t _blank 約束條件的 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E8%99%9A%E4%BD%8D%E7%A7%BB t _blank 虛位移，最后的 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E8%99%9A%E5%8A%9F t _blank 虛功的總和為零。受 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%BA

20、%A6%E6%9D%9F/2747816 t _blank 約束非自由質(zhì)點所受的力包括 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E4%B8%BB%E5%8A%A8%E5%8A%9B t _blank 主動力F以與 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%BA%A6%E6%9D%9F%E5%8A%9B t _blank 約束力FN，若是加上 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E6%83%AF%E6%80%A7%E5%8A%9B t _blank 慣性力，則有著以下公式： （1）也就是在質(zhì)點運動的任何一個 HYPERLI

21、NK :/baike.baidu /item/%E6%97%B6%E5%88%BB/1531818 t _blank 時刻，主動力、約束力以與慣性力三者間組成了 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E5%8A%9B%E7%B3%BB t _blank 平衡力系。上式即為具體的表述。對質(zhì)點上都賦予虛構(gòu)慣性力，那么每個質(zhì)點均位于 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%B9%B3%E8%A1%A1/75238 t _blank 平衡狀態(tài)，即：Fi+FNi+FIi=0（i=1,2,n） （2）達朗貝爾一開始建立

22、的公式和式（1）有所差異。將主動力F劃分成兩塊容：F(1)讓質(zhì)點獲得 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%8A%A0%E9%80%9F%E5%BA%A6/3764 t _blank 加速度，即，叫做有效力；為克服 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%BA%A6%E6%9D%9F%E5%8A%9B t _blank 約束力。達朗貝爾原理和質(zhì)點 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E9%9D%99%E6%AD%A2/33168 t _blank 靜止時的 HYPERLINK :/baike.baidu /it

23、em/%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E6%96%B9%E7%A8%8B t _blank 平衡方程在公式方面是一致的。若是把之前的F(1)、F(2)的表達式進行代入的話，就能夠獲得：和式（1）一樣，都和 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E7%89%9B%E9%A1%BF%E7%AC%AC%E4%BA%8C%E8%BF%90%E5%8A%A8%E5%AE%9A%E5%BE%8B t _blank 牛頓第二定律一樣。1達朗貝爾原理公式如下3.3.5拉格朗日方程拉格朗日方程：在完整系統(tǒng)的大環(huán)境下，動力方程可以由廣義坐標表示。我們常說的拉格朗日方程區(qū)別于第一類，叫

24、做第二類拉格朗日方程。通?？蓪懗桑菏街蠺為系統(tǒng)中用各廣義坐標qj和各廣義速度qj所表示的動能；Qj為對應(yīng)于qj的 HYPERLINK :/baike.baidu /item/%E5%B9%BF%E4%B9%89%E5%8A%9B t _blank 廣義力;N(=3n-k)為這個完整系統(tǒng)的自由度；n為系統(tǒng)的質(zhì)點數(shù)；k為完整約束方程個數(shù)。4 六自由度機器人運動學分析4.1運動學分析的軟件背景是目前使用十分普遍的一種繪圖軟件，是一款與ADAMS有異曲同工之妙的動力學仿真應(yīng)用軟件，它屬于SolidWorks的一個插件。為虛擬原型機仿真工具，對機械臂可以完成運動學以與動力學仿真，能夠準確而直觀地速度，角

25、速度，加速度，角加速度，位移等運動參數(shù)。并且輸出結(jié)果可以用多種形式表示比如記錄一段動畫或者生成一圖表等。此外，在載荷復雜的運動情況下，SolidWorks不能獨立完成對裝配體的分析，我們可以將裝配體的復雜載荷輸入其他可以進行運動學分析的軟件如Adina,ADAMS等，由此得到裝配體剛度強度更加直觀的資料。支持同軸心配合、螺旋配合、平行配合、水平配合等各種配合模式。能夠根據(jù)速度、位移、角度等去定義出較為簡單的運動，也可以通過各種樣條曲線來完成對復雜運動的界定。Solidworks Motion可以用來模擬給裝配體施加各種外力的情況，如力矩，諧波等，也可以用來模擬裝配體受到各種復雜外力的情況。所以一些繁瑣的系統(tǒng)的運動仿真就能夠利用進行構(gòu)建。本篇論文首先采用做出機械臂三維模型，然后節(jié)取機械臂的一個關(guān)節(jié)與底座，運用 Solid Works Motion進行機械臂的運動學和動力學