六自由度机械臂的结构设计与仿真分析本科毕业论文.docx
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2017届毕业设计（论文）
六自由度机械臂的结构设计与仿真分析
教学部：
机电信息工程
专业：
机械设计制造及其自动化
学生姓名：
xxx
班级：
机设1303
学号x
指导教师姓名：
x
职称副教授
最终评定成绩
2017年5月
毕业设计（论文）
六自由度机械臂的结构设计与仿真分析
教学部：
机电信息工程
专业：
机械设计制造极其自动化
学号：
x
学生姓名：
x
指导教师：
x
2017年5月
摘要
机械臂是机器人中常见且广泛使用的执行机构之一，对它的原理进行研究有着十分重要的意义。
完整机械臂的系统包括机械结构、电子硬件、软件程序、逻辑算法四个主要部分。
各个部分相互之间都是紧密相联的，故而设计各部分时需要互相协调，从而保证系统能够稳定运行。
本课题主要对以下几个方面进行了具体的研究：
首先，根据空间中机械臂夹取任意位置至少需要六个自由度的理论，选用六自由度链结式关节结构。
仔细查阅国内外机械设计的相关文献，确定具体的机构。
通过各杆件长度与质量关系，运用静力学，分析各关节的力矩关系。
依据自平衡机器人的基本结构，从而设计出整套机械臂的基本结构方案，并对各个部分的零件选用及设计进行基本分析。
其次，尝试完成机械臂运动学、轨迹规划方面算法的实现。
实现位置，速度和力矩伺服控制算法的实现。
建立机械臂的数学模型，对机械臂的运动学进行相关的分析。
最后，重点分析机械臂的各个关节在空间中的轨迹以及各关节受力的实时数据。
根据六自由度机械臂的结构，基于Solidworks三维模型的构建和Adams动态仿真实验，进行实时动态分析，实现测试轨迹运行。
同时，构建窗口，实现对实时数据和图表的直观展示。
关键词：
Solidworks三维建模,结构设计,数学模型分析,Adams仿真分析,机械臂
ABSTRACT
Robotarmisoneofthecommonandwidelyusedimplementingagenciesinrobots,anditisveryimportanttostudyitsprinciple.Thecompleterobotarmsystemconsistsofmechanicalstructure,electronichardware,softwareprogram,logicalgorithmfourmainparts.Thevariouspartsarecloselylinkedwitheachother,sothedesignofthevariouspartsneedtocoordinateeachother,soastoensurethesystemcanrunstably.
Inthispaper,thefollowingaspectsaremainlystudied:
Firstofall,accordingtothespaceintherobotarmtoholdanypositionatleastsixdegreesoffreedomtheory,thechoiceofsixdegreesoffreedomknotjointstructure.Carefulaccesstodomesticandforeignmechanicaldesignoftherelevantliteraturetodeterminethespecificinstitutions.Throughtherelationshipbetweenthelengthandqualityofeachbar,thetorquerelationshipofeachjointisanalyzedbystatics.Basedonthebasicstructureoftheself-balancingrobot,thebasicstructureofthewholesetofmanipulatorisdesigned,andthebasicselectionandselectionofthepartsarecarriedout.
Secondly,trytocompletetherobotarmkinematics,trajectoryplanningalgorithmtoachieve.RealizationofPosition,SpeedandTorqueServoControlAlgorithm.Themathematicalmodelofthemanipulatorisestablished,andthekinematicsofthemanipulatorisanalyzed.
Finally,thepaperanalyzesthetrajectoriesofeachjointofthemanipulatorinspaceandthereal-timedataofeachjoint.Accordingtothestructureofsix-degree-of-freedommanipulator,basedonsolidworks3DmodelconstructionandAdamsdynamicsimulationexperiment,real-timedynamicanalysisiscarriedouttorealizetesttrajectoryoperation.Atthesametime,theconstructionofwindowprocedurestoachievereal-timedataandgraphicsintuitivedisplay.
Keywords:
Robot,structuraldesign,Mathematicalmodelanalysis,Adamssimulation,solidworksthree-dimensionalmodeling
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论 1
1.1概述 1
1.2机器人的背景与发展历程 2
1.3机器人国内外研究现状 5
1.3.1机器人国外研究现状 5
1.3.2机器人国内研究现状 5
1.4课题的研究目的及主要研究内容 6
第2章机械臂的系统分析及结构设计 8
2.1机器人的定义 8
2.2机器人的组成 9
2.3机器人的分类 10
2.4自由度及运动路径分析 12
2.4.1自由度 12
2.4.2位姿与空间位置的关系 13
2.4.3位姿分析 14
2.4.4坐标变换 15
2.5机械臂的运动驱动系统与结构设计 16
2.5.1六自由度机械臂的结构模型 16
2.5.2伺服机构及控制系统原理 18
2.5.3主要材料选择与基本尺寸设计 22
2.5.4六自由度机械臂的零件设计 24
2.6机械臂的运动轨迹动画制作 36
2.6.1SolidWorks组件Motion的基本介绍 36
2.6.2机械臂的驱动及动作的设计 37
2.6.3机械臂各驱动的时序数据的导入及动画生成 38
第3章机械臂的运动轨迹仿真分析 42
3.1Adams的基本介绍 42
3.2基座平转动作的仿真分析 42
3.3中臂仰俯动作的仿真分析 46
3.4小臂仰俯动作的仿真分析 49
3.5爪部仰俯动作的仿真分析 52
3.6爪部旋转动作的仿真分析 55
3.7爪部夹取动作的仿真分析 58
3.8完整运动轨迹的仿真分析 61
结论 66
参考文献 67
致谢 68
IV
毕业设计（论文）
第1章绪论
1.1概述
机器人
软件程序
电子硬件
逻辑算法
机械结构
机器人是近代科学技术快速发展的朝阳领域，而且是高新技术的集成体现。
20世纪60年代以来，伴伴随着微机技术的不断发展，机器人的科学与技术开始了迅猛的进步。
现在，全世界已经有上百万台的机器人在各个不同领域应用（特别是在自动化装备制造领域）。
图1.1机器人的四大系统
机器人的系统包括机械结构、电子硬件、软件程序、逻辑算法四个主要部分。
能仿人操作、可自动调整、可重复编程、且在三维空间能完成各种工作的机电一体化自动化生产设备，这是机器人最基本的特点[1]。
机械臂是机器人中最广泛存在的执行机构之一，特别适于多个品种的、批量变化的柔性生产系统。
它的发展和研究对于持续提升产品的质量、提高生产的效率、改进劳动的条件和产品的快速更新换代有着十分重要的意义。
机器人的技术是综合控制论、机械学、计算机、信息传感技术、人工智能化、仿生学等多种学科从而形成的高新综合技术，建立在多个学科发展的基石之上，具有应用领域广阔、技术新颖、学科综合性与重合性强等特点[2]。
在当代研究种是十分活跃且应用日益宽泛的新领域。
机器人的实用情况，是一个国家工业自动化水平的重要体现。
各式各类的机器人不但成为现代高新科技的应用承载体，并且其自身的迅速发展也已成为一个相对独立的研究领域，从而逐渐形成了其特定的理论发展和学术研究方向，具有了独特的学科特性。
伴伴随着机器人的使用越来越广泛，对机器人的调整也有了更高水平的要求。
由于实际使用环境的万般变化，很难在短时间内找到最优轨迹的解，以及最适合的结构比例，这时就很有必要用到对于机器人的运动仿真系统。
对机器人进行图形的仿真，可以将仿真结果以图形图表的方式直观的形象的表达出来，可以很容易得到数据曲线和数据本身部分难以直接取得的信息，还可以从图形上看到机器人在不同控制条件下的不同运动规律[3]。
这样，就可以在实际调试机器人设备前对它的运动进行仿真，进而减少实际调试的时间，优化运行轨迹，提升生产效率。
本文的主要内容包括六自由度机器人运动学方程的求解公式推导，通过理论计算验证仿真模型的正确性。
并通过三维建模与动态仿真软件结合，探究结构的最优解，且实时呈现数据图表，直观的展现运动曲线。
1.2机器人的背景与发展历程
“机器人”是一个新造词汇，存在于多种不同的语言和文字中，它展现了人类长期以来的一种渴望，即能够制造出近似人一样行动或工作的机器或人造人，以便有可能去代替人进行各种各样的劳动。
1920年，捷克剧作家卡内尔·凯佩克（KarelCapek）在他创作的情节幻想剧《罗萨姆的万能机器人》中，首次提出“机器人”这个名词。
各国语言对机器人的翻译方法，几乎都从斯洛伐克语“robota”音译为“罗伯特”，只有中国对其意译为“机器人”。
1939年，在美国纽约举办的世界博览会上，展出了“西屋”电气公司设计创造的家务机器人Elektro。
它是由电缆进行控制，能够行走，会说77个词，甚至还会吸烟，然而距离其真正的能够进行家务劳动还差得很远很远。
但是，它的出现还是让众人对家务机器人的憧憬变得更加的详细和具体。
1942年，黄金科幻时代的美国文学大师阿西莫夫提出“机器人三定律”。
即
（1）机器人不应伤害人类；
（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
这是第一次赋予给机器人的伦理性纲领。
尽管这只是科幻小说里的创作，但是机器人学术界却一直将这三项原则奉为机器人研究设计的基本准则。
1954年，美国科学家乔治·德沃尔设计出首台可重复编写电子程序的工业机器人，并于1961年申请了该项机器人专利。
1959年，乔治·德沃尔与发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后，创立了世界上首家机器人制造公司——Unimation。
因为英格伯格对工业机器人的不断研发和宣传，他也被赞誉为“工业机器人之父”。
1962年，美国万能自动化（Unimation）设计生产的首台机器人Unimate在美国通用汽车（GM）开始投入生产，这一事件标志着第一代机器人的诞生。
20世纪下半叶开始，世界机器人多种产业保持着持续增长的良好势头。
进入20世纪90年代以来，机器人产品发展速度不断增加，每年增长率维持在11%左右。
2004年增长率达到创记录的20%。
其中，亚洲机器人增长幅度最为突出，高达43%。
日前使用机器人最广泛的国家是日本，机器人总数占世界总占有量的61%以上，其次美国、德国、新加坡使用机器人的数量也在飞速增加。
图1.2工业机器人的应用
经过大半个世纪的发展，工业机器人在越来越多的生产领域开始了使用。
装备制造产业中，特别是汽车工业生产之中，工业机器人得到了充分的应用。
例如冲压铸造、毛胚锻造、机械零件加工、自动焊、零件热处理、外表涂覆、上下料、自动装配检测以及仓库堆垛这些工作里，机器人已经逐渐的开始替代普通的工人劳作。
图1.3新领域下的机器人应用
伴着机器人产业向更高层次更多方向的成长和机器人现代智能化水准的连续提升，机器人实际的使用空间仍在连续地得以延展，逐渐从汽车制造业进而应用到其他的制造产业，然后推行到比如矿业、建筑业和水电等自动调整维护等机器人涉及的多个非制造领域。
另外，在家庭服务领域、国防军事领域、医疗卫生领域等等产业中机器人使用的实例也越来越多，如无人侦察飞行器、警务机器人、医疗卫生机器人、家政机器人等均有使用实例[4]。
为提升人类的生活品质机器人正在发挥着十分重要的功用。
1.3机器人国内外研究现状
1.3.1机器人国外研究现状
第一台工业使用的机器人被制造出来之后，机器人在很多工业国家得到了迅猛发展。
使用领域逐渐从汽车产业向其他行业沁渗，按照国际机器人联合会的不完全调查，全球范围内机器人的市场前景优良，20世纪后期开始，世界机器人产业一直保持着持续增长的势头。
90年代以来，机器人产业发展速度逐渐加快，每年增长率基本在11%左右，2000年增长率上涨到15%。
机器人最基本的使用方式有几种，一是机器人独立工作单元，二是拥有机器人的完整生产流水线，后一种方式在国外已成为机器人使用的主要类型。
以机器人为中心的自动化生产流水线适用于现代制造产业品种繁多、批量不一的柔性生产领域，具备宽阔的市场前景和强劲生命潜力，已经生产了多个类型向汽车、电气、机械等领域的自动化生产设备和生产流水线。
在工业化国家，机器人自动化生产流水线已然形成一个庞大的产业，每年的市场容量约1000亿美元。
国际上著名的机器人自动化生产线以及物流与仓储自动化设备的集成供应商有COMAU、KUKA、ABB、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等。
按照国际机器人协会的不完全调查，2003年内工业机器人出货量展现出强劲的增长趋势。
就单与2002年相比，2003年全球范围内机器人的出货量就增长了约11%。
预计，工业机器人的全球市场即将从2002年的7万台增长到2006年的9万台，每年稳定增长7.5%。
1.3.2机器人国内研究现状
伴着科学技术的发展和全球机器人技术的进步，国内机器人的研究、科技的开发以及工程应用等等多个方面都取得了长足的进步[5]。
80年代后期到90年代期间，已经把机器人研究归入国家863计划的自动化产业的重要研究课题，开始机器人的基本理论、核心科技以及机器人相关的元件、高科技机器人的系统集成研究和机器人在自动化工业领域的应用。
在机器人型号方面，确定开始研究开发点焊、喷漆、装配、搬运、弧焊等等类型机器人为主。
这是中国机器人行业从研究到实用迈出的关键一步。
一批从事机器人研究、开发、应用的人才和队伍在实践中成长、壮大，一批以机器人为主业的产业化基地已经破土而出。
然而，不管根据工业机器人的使用数目上还是科技发展，国内还是十分较落后于世界。
但是我国作为一个以工业发展为主体的大国，不能只寄希望于其他国家的分享获得高新技术，必需主动的研究发展国内的高新技术，机器人是高新技术领域的重要课题之一，即将成为21世纪各国争夺的经济技术制高点。
如何在21世纪期间使我国机器人的研究快速发展，提前使我国进入机器人大国队列，已经刻不容缓。
因为我国目前的机器人使用基数太低，特以工业机器人为例子，2010年国内机器人占有量只达到了世界占有量的1.47-2.1%，这与我国21世纪前期全球主要制造国身份的地位差异太多，加入这些差异只可通过进口的机器人设备来弥补，之中的高额损失是不能以货币的损失来统计的。
可见，无论从资金方面考虑，还是从长远利益考虑，我们有必要自主地对机器人进行研究和开发。
因为我国机器人的科学研究开发与国外相比还有很大差距，尽管规划开发的机器人大部分选用的是在国外已经成熟的技术，可是我国各个部门对这些技术的理解有很多部分还停留在文献上。
所以还是应当从根本开始，研发少量型号的机器人，开展一小批基础技术开发当作机器人课题的主要研究内容。
国内的机器人课题研究开始都相较国外都晚了不少，但一般进展都十分的迅速。
已经在工业机器人领域、特种机器人领域以及智能机器人等各个方面取得显著成果，为国内机器人的研究打下了坚实的基础。
国内的机器人领域历经近30年的生长，已在实用化的路途上逐渐迈开步伐。
1.4课题的研究目的及主要研究内容
多自由度的机械臂是一种广泛使用的实用性机器人，在搬运堆叠、自动装配、特种焊接、自动喷涂等工业环境中有着广阔的实用。
通过探究此种机器人的问题，可以使初步模拟并了解生产现场的实际运转状况。
机械臂有如下特性：
结构紧凑，工作范围广阔，灵活性高，是行动路线规划以及重复编程设计的完美目标[6]。
多自由度的机械臂作为当代机器人的一个普遍使用也是最重要的关键种类之一，伴随着科学技术不断更新换代。
普通的机械臂只可以完成初步的操作或一种工作任务，多自由度的机械臂在众多的工业技术以及工程应用中能更加合理的开始部分实践操作。
在此背景下，本课题对六自由度机械臂的运动状态仿真和分析就显得格外的重要。
1、理论意义
六自由度机械臂由六个长短不同的关节够长，机械臂基座装在平台上，此种结构让机械臂几乎拥有无穷宽广的工作区间，而且同时具备移动性和可操作性，这让它强于其他的移动机器人以及典型的机械臂结构；另外，工作平台对比机械臂不单单拥有差异的动力学特征，并且考虑到其轨迹规划的差异特征，六自由度的机械臂相对于典型固化机械臂优势的同时，也拥有实际应用的诸多不便之处，例如解的优化、控制、路线规划和解决方案选择等等。
因此，研究六自由度机械臂的行动轨迹规律有着非常重要的意义。
2、应用价值
本课题所研究的六自由度机器人具备自重轻、运行效率快、空间越障能力强、作业区间范围大等特性。
在常用的窗口，通过控制不同的轴调整各关节不同角度来完成不同的任务，进行各种教学演示及工作。
因为采用的控制方法使通过软件程序的编写来实现的，所以对于我国的工业发展以及各种类的机械臂运用，例如现代化的自动焊接以及汽车领域的涂覆流水线等应用有着特别的意义。
对于提高国内的自动工业化水准也具有十分重要的意义。
主要研究内容：
理论计算分析并应用现有的一些数学模型，推导出机器人运动学的理论计算公式。
工作空间分析机器人的行动范围开始研究，便于之后机器人的运动轨迹规律探究和动力学测试。
硬件结构设计设计出整套机械臂的基本结构方案，并对各个部分的零件选用及设计进行基本分析。
软件仿真调试通过Solidworks绘制出机械臂的三维模型，并输出转换到Adams动态仿真软件。
实时分析测试轨迹的运行，输出路线以及图表数据。
第2章机械臂的系统分析及结构设计
2.1机器人的定义
机器人（Robot）是一种可以自动完成任务的机械设备[7]。
既可以通过指令开始行动，也可以运行预编辑的指令，还可以按照人工智能的基本规则运行工作。
帮助或替代人类劳动是它的职责与目标，比如生产行业、建筑行业这些重复劳动率高的行业，或者其他的危险程度较高的工作。
机器人是依托其本身的源动力以及控制能力完成各种行动的机器。
联合国标准化组织规定的机器人概念是“一类可以编程以及拥有多功能的操作机器；或为了实行不同的工作从而具备能够通过电脑重复编程完成各种动作的特定系统。
”
国内机器人定义为：
“机器人是一类自动化运行的机器，差异的部分是此类机器拥有某些类似人或生物的智慧特性，如感知、行动和协调，是具备高灵活性的自动化运行的机器”[8]。
国际上，主要有以下几类有关机器人的定义[9]：
（1）英国简明牛津字典的定义。
机器人定义“样貌跟人类似的自动化机器，拥有部分智力，对人顺从，但是没有具备人格的机器。
此定义还不算完全的正确，因为目前还没有相对人类相似的机器人被创造。
这是人们理想中状态的机器人。
（2）美国机器人协会的机器人定义。
“用来搬运各类材料、工具或其他装置的，通过重复编程来完成各种工作的，具备编程能力的机械臂（Manipulator）”。
虽然此定义较为实用，实际并非十分全面。
此处特指工业机器人。
（3）日本工业机器人协会的机器人定义。
“某种配备可记忆设备以及执行装置的，可以旋转而且自动进行不同位置的移动来替代人类少部分工作的通用型机器”。
图2.1人形智能机器人的进化
2.2机器人的组成
机器人通常包含执行系统、动力系统、检测系统和操控系统等不同部分。
执行系统是机器人主体，臂部结构通常使用空间开链式连杆，各种运动副（移动副或转动副）经常被称作机器人的关节，关节的数目一般就是机器人的自由度数。
按照关节形式和坐标形式的类别，机器人的执行系统能够被区分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等形式。
出于拟人化的考虑，经常把与机器人主体的相关部分分别称作座、腰、臂、腕、手（夹持装置或执行装置）和足（可移动机器人）等。
驱动系统是使执行机构工作的结构，根据控制系统给出的指令信息，通过动力组件使机器人执行动作。
输入是电信号，输出是线、角位移。
机器人的驱动设备大部分是电力驱动，例如步进电机、伺服电机之类，另还有少部分通过液压或者气动进行驱动。
检测系统能够及时检测到机器人的运动状态，给与控制系统反馈，将之与预设信息进行比较，调试执行机构的运行状态，来确认机器人的动作与预定的标准相吻合。
检测系统的传感设备大约能够归为两类：
一是内部信息的传感装置，用来探测机器人各区域内部的状态，如关节的坐标、速度以及加速度，同时把测得的信息反馈至操控系统，形成闭环控制[10]。
另一种是外部信息传感装置，通过探测工作对象和环境或者机器人相对关系，在机器人上装配触觉传感装置、视觉传感装置、力传感装置等，用来获得相关工作目标以及环境等各个方面的信息。
通过让机器人运行的调整来适应环境的转换，让其深入高自动化，直至让机器人具备
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