陳卓畢業(yè)設(shè)計終極版

畢業(yè)設(shè)計（論文）I工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析摘要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復(fù)性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。本論文作者在參考大量文獻資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計要求，設(shè)計了一種小型的、固定在AGV上以實現(xiàn)移動的六自由度串聯(lián)機器人。首先，針對機器人的設(shè)計要求提出了多個方案，對其進行分析比較，選擇其中最優(yōu)的方案進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時進行了運動學(xué)分析，用DH方法建立了坐標(biāo)變換矩陣，寫出運動學(xué)方程。這些工作為移動式機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析和運動控制提供了依據(jù)。最后用ADAMS軟件進行了機器人手臂的運動學(xué)仿真，并對其結(jié)果進行了分析，對在機械設(shè)計中使用虛擬樣機技術(shù)做了嘗試，積累了經(jīng)驗。關(guān)鍵詞機器人；運動學(xué)分析；工作空間分析；虛擬樣機技術(shù)陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析IIINDUSTRIALROBOTOF3DMODELINGANDANALYSISOFTHEMOVEMENTABSTRACTINTHEMODERNLARGESCALEMANUFACTURINGINDUSTRY,ENTERPRISESPAYMOREATTENTIONONTHEAUTOMATIONDEGREEOFTHEPRODUCTIONPROCESSINORDERTOENHANCETHEPRODUCTIONEFFICIENCY,ANDGUARANTEETHEPRODUCTQUALITYASANIMPORTANTPARTOFTHEAUTOMATIONPRODUCTIONLINE,INDUSTRIALROBOTSAREGRADUALLYAPPROVEDANDADOPTEDBYENTERPRISESTHETECHNIQUELEVELANDTHEAPPLICATIONDEGREEOFINDUSTRIALROBOTSREFLECTTHENATIONALLEVELOFTHEINDUSTRIALAUTOMATIONTOSOMEEXTENT,CURRENTLY,INDUSTRIALROBOTSMAINLYUNDERTAKETHEJOPSOFWELDING,SPRAYING,TRANSPORTINGANDSTOWINGETC,WHICHAREUSUALLYDONEREPEATEDLYANDTAKEHIGHWORKSTRENGTH,ANDMOSTOFTHESEROBOTSWORKINPLAYBACKWAYBASEDONLARGERNUMBEROFRELATIVELITERATURESANDCOMBINEDWITHTHENEEDOFPROJECT,THEAUTHORHAVEDESIGNEDAKINDOFSMALLSIZESERIALROBOTWITH6DEGREEOFFREEDOMWHICHCANBEFIXEDONTHEAGVTOCONSTRUCTAMOBILEROBOTWRITETHEKINEMATICSEQUATION，THESEWORKSPROVIDEDABASISTOTHESTRUCTUREDESIGN,KINEMATICSANALYSEANDCONTROLATLAST,THEROBOTARMSKINEMATICSWASSIMULATEDBYUSINGSOFTWAREADAMS,ANDTHESIMULATIONRESULTWASANALYZEDINTHEEXPERIMENT,THEAUTHORTRIEDTOUSETHEVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGYINMECHANISMDESIGNKEYWORDSROBOTKINEMATICSANALYSISWORKINGSPACEANALYSISVIRTUALPROTOTYPINGTECHNOLOGY畢業(yè)設(shè)計（論文）III目錄引言1第1章緒論211機器人概述212機器人的歷史、現(xiàn)狀213機器人發(fā)展趨勢414研究課題的提出415本論文研究的主要內(nèi)容4第2章工業(yè)機器人總體方案的確定和機械系統(tǒng)設(shè)計521工業(yè)機器人相關(guān)知識點522工業(yè)機器人總體方案的確定6第3章運動學(xué)分析1231工業(yè)機器人連桿坐標(biāo)系的建立1232工業(yè)機器人運動學(xué)方程13第4章基于ADAMS的運動學(xué)仿真1641ADAMS功能介紹1642基于ADAMS的機器人運動學(xué)仿真1743ADAMS環(huán)境下6自由度機器人的動力學(xué)仿真分析20結(jié)論與展望27參考文獻29附錄30附錄A外文文獻及其譯文30附錄B主要參考文獻摘要39陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析IV插圖清單圖21手臂的幾種結(jié)構(gòu)構(gòu)型6圖22末端執(zhí)行器空間運動姿態(tài)7圖23手腕的4種形式7圖24工業(yè)機器人的總體構(gòu)型8圖25機械手手指形狀9圖26機械手機構(gòu)簡圖9圖27工業(yè)機器人總體模型圖10圖31工業(yè)機器人連桿坐標(biāo)系12圖41將文件導(dǎo)入到ADAMS中18圖426自由度機器人的虛擬樣機模型19圖43處理后機器人的虛擬樣機模型20圖44末端點在X方向上的位移曲線20圖45末端點在Y方向上的位移曲線21圖46末端點在Z方向上的位移曲線21圖47末端點在X方向上的速度曲線21圖48末端點在X方向上的速度曲線22圖49末端點在X方向上的速度曲線22圖410末端點在X方向上的加速度曲線22圖411末端點在Y方向上的加速度曲線23圖412末端點在Z方向上的加速度曲線23圖413中間點在X方向上位移曲線23圖414中間點在X方向上位移曲線24圖415中間點在X方向上位移曲線24圖416中間點在X方向上速度曲線24圖417中間點在Y方向上速度曲線25圖418中間點在Z方向上速度曲線25圖419中間點在X方向上加速度曲線25圖420中間點在Y方向上加速度曲線26圖421中間點在Z方向上加速度曲線26畢業(yè)設(shè)計（論文）V插表清單圖31工業(yè)機器人連桿坐標(biāo)系12安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1引言工業(yè)機器人是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化生產(chǎn)設(shè)備1。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品質(zhì)量,提高生產(chǎn)效率,改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。典型的工業(yè)機器人如焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人等大多固定在生產(chǎn)線或加工設(shè)備旁邊作業(yè),隨著人們對機器人技術(shù)智能化本質(zhì)認識的加深,機器人技術(shù)開始源源不斷地向人類活動的各個領(lǐng)域滲透。研究和設(shè)計各種用途的機器人特別是工業(yè)機器人、推廣機器人的應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。工業(yè)機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。工業(yè)機器人的誕生可顯著提高勞動生產(chǎn)率、改善作業(yè)環(huán)境等。所以本課題的研究具有很強的實用意義，本課題研究的主要內(nèi)容對工業(yè)機器人進行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計；繪制各零部件的二維圖及裝配圖；利用ADAMS進行運動分析。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析2第1章緒論11機器人概述在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法；程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效地解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。“工業(yè)機器人”（INDUSTRIALROBOT）多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機器人或通用機器人）。機器人是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的機器人稱為專用機器人，而把工業(yè)機械人稱為通用機器人。簡而言之，機器人就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機器人，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（MANIPULATOR）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機器人來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機器人，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機器人在國外通常被稱之為“MECHANICALHAND”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機器人的本體部分都采用這種機構(gòu)形式的機器人。12機器人的歷史、現(xiàn)狀機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點是機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。目前工業(yè)機器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感覺機能。第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMSFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEM和柔性制造單元FMCFLEXIBLEMANUFACTURINGCELL中的重要一環(huán)。安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3隨著工業(yè)機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段（1）19631967年為試驗定型階段。19631966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。（2）19681970年為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。19701972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如森德斯蘭德公司（SUNDSTRAND）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“VERSATRAN”和“UNIMATE”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司引進美國的“VERSATRAN”,川崎重工公司引進“UNIMATE”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚56年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析413機器人發(fā)展趨勢隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢A提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人；B開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合；C研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。14研究課題的提出工業(yè)機器人固定在機床或加工中心旁邊，由它們完成對加工工件的上、下料和裝夾作業(yè)，通過輸送線運送工件，實現(xiàn)物流的運轉(zhuǎn)。當(dāng)所要加工的產(chǎn)品放生變化、工件工藝流程改變時，就要調(diào)整柔性制造系統(tǒng)的布局?，F(xiàn)在設(shè)想，將工業(yè)機器人固定在自動引導(dǎo)車（AGV）上，改變自動引導(dǎo)車的軌跡，就可以適應(yīng)工件和工件工藝流程的變化，大大提高加工系統(tǒng)的柔性。此外，對于這類小型的機器人，在原理不變的情況下，改變其結(jié)構(gòu)，增強人機功能，將它固定在小型的移動裝置或直接與移動裝置結(jié)合成一體，就可以應(yīng)用到日常生活中，如生活中物體的搬運、人員的看護等。因此，設(shè)計開發(fā)這樣一種可移動式、多自由度的小型機器人是有實際意義的。15本論文研究的主要內(nèi)容系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人、主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計工作中需要解決的任務(wù)，主要進行以下幾項工作（1）進行機器人本體結(jié)構(gòu)的方案創(chuàng)成、分析和設(shè)計。2進行機器人運動學(xué)分析。3分析機器人操作臂的工作空間，根據(jù)分析結(jié)果對操作臂各個桿件的長度進行選擇和確定。4利用機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對簡化后的操作臂模型進行運動學(xué)仿真，對在機械設(shè)計中使用虛擬樣機技術(shù)進行嘗試和探索。安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5第2章工業(yè)機器人總體方案的確定和機械系統(tǒng)設(shè)計21工業(yè)機器人相關(guān)知識點211工業(yè)機器人的組成機器人主要由驅(qū)動裝置、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成。A驅(qū)動裝置工業(yè)機器人的驅(qū)動裝置包括驅(qū)動器和傳動機構(gòu)兩部分，它們通常與執(zhí)行機構(gòu)連成一體。傳動機構(gòu)常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪輪系。驅(qū)動器通常有電機直流伺服電機，步進電機，交流伺服電機，液動和氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機。B控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)一般由控制計算機和驅(qū)動裝置伺服控制器組成。后者控制各關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，使各桿按一定的速度，加速度和位置要求進行運動。前者則是要根據(jù)作業(yè)要求完成偏差，并發(fā)出指令控制各伺服驅(qū)動裝置使各桿件協(xié)調(diào)工作，同時還要完成環(huán)境狀況，周邊設(shè)備如電焊機，工卡具等之間的信息傳遞和協(xié)調(diào)工作。C執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)由腰部、基座、手部、腕部和臂部等運動部件組成。1腰部腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運動再加上臂部的平面運動，就能使腕部作空間運動。腰部是執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差，運動精度和平穩(wěn)性，對機器人的定位精度有決定性影響。2基座基座是整個機器人的支持部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性。3手部手部它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等形式。夾持式手部是由手指和傳力機構(gòu)所組成。手指是直接與物件接觸的機構(gòu)。常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。對于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓式和真空泵式。對于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。4腕部腕部與手部相連，通常有3個自由度，多為輪系結(jié)構(gòu)，主要功用是帶動手部完成預(yù)訂的姿態(tài)，是操作機中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分。5臂部臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿小臂和大臂組成，用以帶動腕部作平面運動。212工業(yè)機器人的分類A）按坐標(biāo)形式分為直角坐標(biāo)式代號PPP；圓柱坐標(biāo)式代號RPP；球坐標(biāo)式代號RRP；關(guān)節(jié)坐標(biāo)式代號RRR，又稱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)式，分為垂直關(guān)節(jié)坐標(biāo)和平面水平關(guān)節(jié)坐標(biāo)。B按驅(qū)動方式分為電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動。電力驅(qū)動的驅(qū)動元件可以是步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機。液壓驅(qū)動可以獲得很大的抓取能力可抓取高達上千牛力，傳動平穩(wěn)，防爆性好，動作也較靈敏，但對密封性要求高，不宜于在高、低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。采用氣壓驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)簡單、動作迅速、價格低；但由于空氣可壓縮而使工作速度穩(wěn)定性差，抓取力小幾十牛力至百牛力。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析6C按控制方式分為點位控制和連續(xù)軌跡控制。點位控制方式簡單，適用于上下料、點焊、卸運等作業(yè)。連續(xù)軌跡控制比較復(fù)雜，常用于焊接、噴漆和檢測的機器人中。22工業(yè)機器人總體方案的確定221方案要求由上所述，該設(shè)計工業(yè)機器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運、裝夾和日常生活中的持物、看護等。能夠固定在移動裝置上，以實現(xiàn)靈活移動。要求動作靈活，工作范圍大，被夾持物應(yīng)具有多種姿態(tài)，自由度在56個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。222本體結(jié)構(gòu)設(shè)計A）自由度個數(shù)的確定與數(shù)分配工業(yè)機器人的自由度個數(shù)是腕部和臂部的自由度個數(shù)之和，所以確定了腕部和臂部的自由度個數(shù)確定了總的自由度個數(shù)。手腕的按自由度數(shù)可分為目前可分為單自由度手腕、二自由度手腕、三自由度手腕，通常要求腕部能實現(xiàn)對空間的三個坐標(biāo)軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，既具有翻轉(zhuǎn)、俯仰和偏轉(zhuǎn)三個自由度。臂部自由度的確定，為了使手部能達到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個自由度，少少數(shù)專用的工業(yè)機器人手臂自由度少于三個。綜上所述，本設(shè)計中工業(yè)機器人的自由度數(shù)確定為六個，其中腕部和臂部各三個。B臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計手臂是執(zhí)行機構(gòu)中的主要運動部件，它用來支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運動。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖21圖21手臂的幾種結(jié)構(gòu)構(gòu)型由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機器人比非關(guān)節(jié)型機器人有大得多的相對空間（手腕可達到的最大空間體積與機器人本體外殼體積之比）和絕對工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7同時關(guān)節(jié)型機器人的動作和軌跡更靈活，因此該型機器人采用關(guān)節(jié)型機器人的結(jié)構(gòu)。C腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計手腕是操作機的小臂上臂和末端執(zhí)行器手爪之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。對一般機器人，末桿即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿都有獨立的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地。對于任一桿件的姿態(tài)即方向，可用兩個方位確定。如圖22圖22末端執(zhí)行器空間運動姿態(tài)本課題中所研究的工業(yè)機器人為了更加靈活的工作，采用了三個自由度。三自由度的手腕通常有以下四種形式BBR型、BRR型、RBR型和RRR型。如圖23圖23手腕的4種形式B表示彎曲結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度有變化。R表示轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運動構(gòu)件的軸線在工作過程中相互間角度不變。參考一些實例，本課題中選用RBR型。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析8D）總體構(gòu)型綜合以上對本課題所研究的工業(yè)機器人的設(shè)計，確定總體構(gòu)型如圖24圖24工業(yè)機器人的總體構(gòu)型其中前三個關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。223末端執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計末端執(zhí)行器是使機器人直接用于抓取和握緊（吸附）專用工具（如噴槍、扳手、焊具、噴頭等）進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為以下幾類（1）夾鉗式取料手（2）吸附式取料手（3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器（4）仿生多指靈巧手本文設(shè)計對象為物料搬運機器人，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計能從不同角度抓取工件的鉗形指。手指是直接與工件接觸的部件。手指松開和夾緊工件，是通過手指的張開與閉合來實現(xiàn)的。該設(shè)計采用兩個手指，其外形如圖25安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9圖25機械手手指形狀傳動機構(gòu)是向手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。為本課題中所設(shè)計的三維圖如圖26圖26機械手機構(gòu)簡圖224工業(yè)機器人的三維建模與各部件分析由上所述，本文確定的方案為6自由度的工業(yè)機器人，具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)主體具體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由回轉(zhuǎn)主體（腰關(guān)節(jié)）、大臂（肩關(guān)節(jié)）、小臂（肘關(guān)節(jié)）、腕部（腕關(guān)節(jié)）等幾個部分組成。機器人回轉(zhuǎn)主體實現(xiàn)機器人主體的回轉(zhuǎn)，有固定底座和腰關(guān)節(jié)組成。本方案采用電機驅(qū)動。這種驅(qū)動方式具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用維修方便、不污染環(huán)境等優(yōu)點，這也是現(xiàn)代機器人應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。為實現(xiàn)機器人靈活自由地移動，驅(qū)動系統(tǒng)使用了蓄電池供電。電動機可以選擇步進電機或直流伺服電機。使用直流伺服電機能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價格較高，而步進電機驅(qū)動具有成本低，控制系統(tǒng)簡單的優(yōu)點。確定這種機器人的6個關(guān)節(jié)都采用步進電機驅(qū)動，開環(huán)控制。在現(xiàn)代機器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機器人專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點。但考慮到這些軸承價格昂貴，而使用陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析10普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機的布置上，考慮盡量將電機放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時也可以起到重力平衡的作用，但同時盡量避免過長的傳動鏈，以簡化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運動。第1個關(guān)節(jié)即腰關(guān)節(jié)的運動是由伺服電機傳遞動力和變速給腰關(guān)節(jié)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運動腰關(guān)節(jié)上伺服電機通過輪系驅(qū)動大臂的俯仰運動，另一個伺服電機通過輪系驅(qū)動小臂的俯仰運動后3個關(guān)節(jié)的伺服電機驅(qū)動著手腕的回轉(zhuǎn)、夾持器的擺動以及夾持器的周轉(zhuǎn)運動前3個關(guān)節(jié)JL、J2、J3控制著機器人末端執(zhí)行器的位置，而后3個關(guān)節(jié)J4、J5、J6控制機器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)本課題所設(shè)計的工業(yè)機器人負重能力為6KG，重復(fù)定位精度達O08MM，參考同類機器人的運動參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機器人的運動參數(shù)如下A動作范圍最大運動速度J1軸340150SJ2軸250160SJ3軸340170SJ4軸3804OOS）J5軸280400SJ6軸720520SB最大負荷6KGC連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量在完成對該工業(yè)機器人總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)分析確定以后，利用三維軟件進行建模，所建模型如下圖圖27工業(yè)機器人總體模型圖1底座部件2腰部回轉(zhuǎn)部件3大臂部件4小臂部件5手腕部件6末端執(zhí)行器總體運動及各部件說明安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）11如上圖所建模型所示，安裝在腰關(guān)節(jié)的驅(qū)動電機驅(qū)動腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)。安裝在大臂與小臂關(guān)鍵額連接處的驅(qū)動電機驅(qū)動小臂做上下俯仰。機器人的腕部位于小臂臂體前端，安裝在小臂上的電機驅(qū)動小臂做上下俯仰。腕部的三個自由度由安裝在腕部后端達的3個電機，通過傳動桿件腕部齒輪系實現(xiàn)，安裝在腕部后端電機保證機器人末端重量極可能的輕，滿足機器人的配重法則。1底座部件底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動部件和步進電機等。底座部件固定在自動引導(dǎo)車（AGV）上，支持整個操作機，步進電機固定在底座上，一級同步帶傳動將運動傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，同時起到減速作用。2腰部回轉(zhuǎn)部件腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、支架、諧波減速器和步進電機、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運動。在腰部支架上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機。3大臂部件包括大臂和傳動部件。4小臂部件包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端（靠近大臂的一端）固定驅(qū)動手腕三個運動的步進電機。5手腕部件包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。6末端執(zhí)行器用于抓取物體。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析12第3章運動學(xué)分析31工業(yè)機器人連桿坐標(biāo)系的建立機器人的位姿描述包括位置和姿態(tài)的描述，即要確定其3個位置坐標(biāo)位置自由度和3個旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)姿態(tài)自由度剛體的位置、姿態(tài)可由其上的任一基準(zhǔn)點和過該點的坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的相對關(guān)系來確定，所以，對機器人進行運動學(xué)分析，具體講就是對機器人及其各部分建立坐標(biāo)系，并分析各坐標(biāo)系之間的關(guān)系，由此確定機器人的運動規(guī)律閉由于齊次坐標(biāo)是一種系統(tǒng)性及規(guī)范性都很強的方法，采用齊次坐標(biāo)描述機器人的各個機構(gòu)，不僅有利于形成機器人運動的控制算法，也為機器人視覺的圖像處理提供了方便，是機器人的眾多描述方法中較簡單、統(tǒng)一的一種大多機器人資料中都有關(guān)于齊次坐標(biāo)的描述，這里不再贅述。本課題所設(shè)計的工業(yè)機器人實際上是由一個個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系統(tǒng)，每個獨立驅(qū)動的關(guān)節(jié)決定著機器人的一個自由度為了描述各桿件之間的關(guān)系，需要在每一個桿件上設(shè)置坐標(biāo)系。目前較流行的坐標(biāo)系建立方法是DH方法，是有DENAVIT和HARTENBERG于1955年提出的一種為關(guān)節(jié)鏈中每一桿件建立附加坐標(biāo)系的矩陣方法，是用齊次坐標(biāo)系來描述機器人各桿件相對于參考坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，用44的齊次變換矩陣來描述相鄰兩連桿I和I1的空間幾何關(guān)系，從而推到出機器人手抓坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的空間位姿坐標(biāo)系。本課題分析的六自由度機器人由基座、腰部回轉(zhuǎn)部件、大臂、和腕部組成，具有六個轉(zhuǎn)動自由度，根據(jù)DH坐標(biāo)系的規(guī)則和各桿件參數(shù)的求取原則，建立了該工業(yè)機器人處于零點位置時的連桿坐標(biāo)系，如圖31所示。表31中列出了該工業(yè)機器人機構(gòu)的DH參數(shù)。圖31工業(yè)機器人連桿坐標(biāo)系安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）13表31機器人的DH參數(shù)11I1IIIIIA為連桿（）的長度；A為連桿轉(zhuǎn)角；D為沿關(guān)節(jié)I軸線兩個公垂線的距離，稱為偏距；為垂直于關(guān)節(jié)軸線的平面內(nèi)兩個公垂線的夾角，稱為扭角32工業(yè)機器人運動學(xué)方程已知機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角或位移以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，求機器人末端執(zhí)行器相對于基礎(chǔ)坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)稱為機器人運動學(xué)的正問題需要根據(jù)機器人操作機每個構(gòu)件相對于機器人機座坐標(biāo)系的位置及姿態(tài)列出機器人的運動學(xué)方程。根據(jù)齊次坐標(biāo)變換理論，可知工具坐標(biāo)系是從基坐標(biāo)系到各個桿件坐標(biāo)系之間的變換得到的。即式（1）是機器人正向運動方程，其中1NNM為相鄰干間的位資矩陣，06M為機器人末端執(zhí)行件的位資矩陣。下面就用DH方法求解運動學(xué)正解。根據(jù)齊次變換原理和位姿理論得到各關(guān)節(jié)的位置矩陣如下（1）繞1Z軸轉(zhuǎn)1角的坐標(biāo)變換矩陣為（2）繞1X軸轉(zhuǎn)動90角，沿1X軸移動1A，沿2Y軸移動2D繞Z2軸轉(zhuǎn)動2角的坐標(biāo)變換矩陣為陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析14（3）沿2X軸移動2A，沿3Y軸移動3D，繞3Z軸轉(zhuǎn)動3角的坐標(biāo)變換矩陣為（4）沿3X軸移動3A，沿Y4軸移動4D，繞3X軸轉(zhuǎn)動90角，繞Z4軸轉(zhuǎn)動4角的坐標(biāo)變換矩陣為（5）繞4X軸轉(zhuǎn)動角90，繞5Z軸轉(zhuǎn)動5角的坐標(biāo)變換矩陣為（6）繞5X軸轉(zhuǎn)動90角，繞6Z軸轉(zhuǎn)動6角的坐標(biāo)變換矩陣為安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）15將以上連桿的齊次變換矩陣進行運算，就得到操作臂變換矩陣,SINIIIICS式中分別表示COS。23456142390,90,0,0,180,00,0,1,0,0,0,0,0,0,IXYXYZXYZXYZNNOOOAAAPPADPAA當(dāng)將各關(guān)節(jié)角的初始位置，即的值代入上述表達式中，可得與以基位姿為參照手部位姿的矩陣相同，即運動方程是正確的。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析16第4章基于ADAMS的運動學(xué)仿真41ADAMS功能介紹ADAMS是英文AUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICALSYSTEM的縮寫，提供了強大的建模仿真環(huán)境，能夠?qū)Ω鞣N機械系統(tǒng)進行建模、仿真和分析，與其他CADCAM軟件相比，具有十分強大的運動學(xué)和動力學(xué)分析功能。在當(dāng)今動力學(xué)分析軟件市場上，擁有70的市場份額，廣泛應(yīng)用于機器人、航空航天、汽車工程、鐵路車輛及裝備和工程機械等領(lǐng)域。ADAMS擁有WINDOWS如LINUX兩個版本。ADAMS軟件將強大的分析求解功能與使用界面相結(jié)合，使用直觀且方便。軟件的特點如下L、利用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫和力庫建立機械系統(tǒng)三維參數(shù)化模型。2、分析類型包括運動學(xué)、靜力學(xué)和準(zhǔn)靜力學(xué)分析，以及線性和非線性動力學(xué)分析，包含剛體和柔性體分析。3、具有先進的數(shù)值分析技術(shù)和強有力的求解器，使求解快速準(zhǔn)確。4、具有組裝、分析和動態(tài)顯示不同模型或同一個模型在某一個過程變化的能力，提供多種“虛擬樣機“方案。5、具有一個強大的函數(shù)庫供自定義力和運動發(fā)生器。6、具有開放式結(jié)構(gòu)，允許集成自己的子程序。7、自動輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，仿真結(jié)果顯示為動畫和曲線圖形。8、可預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞、包裝、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷。9、支持同大多數(shù)、和控制設(shè)計軟件包之間的雙向通訊。隨著工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)的競爭日趨激烈。工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)越來越向著多品種、小批量化發(fā)展，同時，對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時間提出了越來越高的要求。提高產(chǎn)品質(zhì)量；降低產(chǎn)品成本；增加產(chǎn)品的科技含量、縮短研制、生產(chǎn)周期；靈活地應(yīng)對市場的變化成了制造業(yè)競爭者們追求的目標(biāo)和生存的途徑。在傳統(tǒng)的設(shè)計和制造過程中，一般的過程是首先概念設(shè)計而后方案論證，然后進行產(chǎn)品設(shè)計，在設(shè)計完成后，為了驗證設(shè)計，通常要進行產(chǎn)品的試制。當(dāng)通過試驗發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷時，再次修改設(shè)計并再次進行產(chǎn)品試制，通過反復(fù)地設(shè)計試制設(shè)計過程，才能達到目標(biāo)要求。這一過程是冗長的，設(shè)計周期無法縮短，就不可能對市場進行靈活應(yīng)對，同時，樣機試制也增加了產(chǎn)品的成本，特別當(dāng)用戶對產(chǎn)品的需求產(chǎn)生小批化、個性化的要求時，將對企業(yè)造成重大的損失。虛擬樣機技術(shù)是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關(guān)問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)設(shè)計和制造過程中的缺點的新技術(shù)。安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）17在虛擬樣機技術(shù)中，設(shè)計人員直接利用計算機輔助設(shè)計（CAD）系統(tǒng)提供的零部件的物理信息和幾何信息，在計算機上定義零部件間的連接關(guān)系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，從而獲得機械系統(tǒng)的虛擬樣機，使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種情況下的運動和受力情況進行分析，觀察并實驗各組成部件相互運動情況，并在計算機上反復(fù)地修改設(shè)計缺陷，仿真不同的設(shè)計方案，對整個系統(tǒng)不斷地進行改進，直到獲得最優(yōu)的設(shè)計方案后，在進行物理樣機的試制。這樣，能夠縮短研發(fā)周期，盡量降低成本，避免不必要的損失。虛擬樣機技術(shù)的核心是機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)和控制理論，同時緊密結(jié)合了三維計算機圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，另外也與計算機硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展程度密切相關(guān)，計算機硬件的性能對虛擬樣機的分析計算、仿真的結(jié)果有著極大的影響和制約。虛擬樣機技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機軟件實現(xiàn)的。國外虛擬樣機已實現(xiàn)了商品化。目前有比較有影響的軟件有美國機械動力學(xué)公司的ADAMS，比利時LMS公司的DADS，德國航天局的SIMPACK。其中美國機械動力學(xué)公司的DAMAS占據(jù)了市場的50以上11?？梢哉fADAMS（AUTOMATICDYNAMICANALYSISOFMECHANICAL）程序是世界上應(yīng)用最廣泛的最具權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件。42基于ADAMS的機器人運動學(xué)仿真在本課題中，采用軟件CATIA作出了全部零件的三維實體模型，并將零件在計算機中進行虛擬裝配，得到了機器人整體的虛擬樣機。CATIA軟件有檢查機構(gòu)干涉的功能，作者在SOLIDEDGE環(huán)境中對機器人的虛擬樣機進行了干涉檢查，修改了結(jié)構(gòu)尺寸上存在的錯誤，直到整個模型在結(jié)構(gòu)上無相互干涉現(xiàn)象。為了分析不同方案的性能和優(yōu)劣，以及同一方案中不同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)對整機性能的影響，縮短設(shè)計時間，作者使用了ADAMS軟件對機器人進行運動學(xué)仿真。ADAMS進行建模、仿真和分析，一般遵循以下七個基本步驟L、創(chuàng)建一個包括運動件、運動副、柔性連接和作用力等在內(nèi)的機械系統(tǒng)模型；2、通過模擬仿真模型在實際操作過程中的動作來測試所建模型；3、通過將模擬仿真結(jié)果與物理樣機試驗數(shù)據(jù)對照比較來驗證所設(shè)計的方案；4、細化模型，使仿真測試數(shù)據(jù)符合物理樣機試驗數(shù)據(jù)；5、深化設(shè)計，評估系統(tǒng)模型針對不同的設(shè)計變量的靈敏度；6、優(yōu)化設(shè)計方案，找到能夠獲得最佳性能的最優(yōu)化設(shè)計組合；7、使各設(shè)計步驟自動化，以便能迅速地測試不同的設(shè)計可選方案。421CATIA環(huán)境下實體模型6自由度機器人本體虛擬仿真模型的建模工具采用參數(shù)化設(shè)計軟件CATIA，可以快速地建立三維模型并便于修改。如圖所示，使用CATIA建立的本課題自由度機器人真實尺寸三維模型即該機器人虛擬樣機真實地反映了機器人物理模型結(jié)構(gòu)包括底盤，底座，大臂，小臂，擺動部件，旋轉(zhuǎn)部件等及其特性參數(shù)。在6自由度機器人各零件的三維模型基礎(chǔ)上，進行裝配建模。通過裝配，可以形成產(chǎn)品的總體結(jié)構(gòu)、繪制裝配圖。裝配的概念是指虛擬裝配。所謂虛擬裝配是指通過零件之間的引用和鏈接關(guān)系，形成裝配模型。裝配的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了一種層次關(guān)系，最頂層是裝配體，其余的由子裝配體和陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析18部件組成。自底向上方法從底層逐步向上裝配，將每個零件加入到裝配體中，這些零件已經(jīng)設(shè)計完成，例如標(biāo)準(zhǔn)件，己經(jīng)存儲的零件等。自頂向下方法在頂層產(chǎn)生一個裝配，建立裝配結(jié)構(gòu)，逐步向下添加零件，產(chǎn)生子裝配或部件，這種設(shè)計方法更符合設(shè)計人員的習(xí)慣，即從裝配到零件的設(shè)計。上下文設(shè)計方法在裝配結(jié)構(gòu)中，利用裝配樹中其它部件的信息設(shè)計零件幾何參數(shù)。在產(chǎn)品設(shè)計中，根據(jù)零件的情況經(jīng)常要混合使用上述的方法，例如設(shè)計一個新型的產(chǎn)品，它的一部分零件是新設(shè)計的零件，一部分零件是已有的，可以先用自頂向下的方法構(gòu)造出產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，再進行各種設(shè)計。本文采用自底向上的方法，從底層逐步向上裝配，將己經(jīng)設(shè)計好的零件加入到裝配體中。由于變速器零件比較多，所以先將相關(guān)零件組裝成子裝配體，最后把所有的子裝配體裝配在一起，組成總的裝配體。422ADAMSVIEW環(huán)境下建立仿真模型在CATIA中建立好6自由度機器人的虛擬樣機模型之后要將此模型導(dǎo)入到ADAMS中，由于CATIA直接輸出的格式并不適用于ADAMS中進行直接使用，所以采取在CATIA中輸出STP格式，然后再將此格式的模型導(dǎo)入到PRO/E中。然后再從PRO/E中輸出PARASOLID格式，然后再將此格式的模型導(dǎo)入到ADAMS中。打開ADAMSVIEW，點擊FILE菜單IMPORT選項，將由PRO/E輸出的PARASOLID格式文件導(dǎo)入ADAMS中，如圖41所示圖41將文件導(dǎo)入到ADAMS中導(dǎo)入之后的文件如圖56所示安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）19圖426自由度機器人的虛擬樣機模型接下來對模型和仿真環(huán)境進行一些必要的處理和修改1設(shè)置重力選擇設(shè)置菜單中的重力GRIVITY，單擊這一選項，把重力設(shè)置成正確的方向。2修改剛體質(zhì)量屬性在圖形界面直接選擇要修改材料的部件，單擊右鍵彈出菜單，選擇MODI，然后在彈出的構(gòu)件特性對話框巾選擇GEOMETRYANDDENSITY選項。此時程序要求輸入材料密度，ADAMS根據(jù)輸入的密度和構(gòu)件兒何形狀，計算質(zhì)量和慣性矩?；蛘哌x擇USERINPUT選項，自行輸入各關(guān)節(jié)剛體質(zhì)量特性參數(shù)，這里采用的是GEOMETRYANDMATERIALTYPE，直接在ADAMS軟件的材料庫里選取材料，在整個6自由度機器人中除了型材部分為鋁質(zhì)的之外，其余部件的材料均為45號剛，所以我們就根據(jù)這個來修改剛體的質(zhì)量屬性。3簡化虛擬樣機模型為了簡化虛擬樣機模型，我們將那些相互之間沒有運動，而材料屬性又一致的零部件用布爾和操作連接在一起，這樣就大大簡化了模型。注意這一步驟和上一步驟不能倒過來，這樣雖然會減少一些工作量，但是會導(dǎo)致后期仿真的失敗。對于那畫I些相互之間沒有運動，材料屬性不一樣的零部件，可以用固定副來連接。這樣處理之后，整個虛擬樣機大致分為了底盤、底座、大臂、小臂、擺動部件和旋轉(zhuǎn)部件六個部分。4設(shè)置運動關(guān)系接下來需要設(shè)置各個連桿之間的運動關(guān)系，其中底盤和大地固接，底座和底盤等其他各連桿之間均用旋轉(zhuǎn)副來連接，這樣處理之后的虛擬樣機模型如圖43所示。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析20圖43處理后機器人的虛擬樣機模型43ADAMS環(huán)境下6自由度機器人的動力學(xué)仿真分析對機器人的運動進行仿真后，可以用曲線的形式輸出仿真結(jié)果。在ADAMS/VIEW中可以測量模型的任意參數(shù)，如物體任意點的位移、速度、加速度等，約束副的相對位移、相對速度、相對加速度以及所受的力和力矩等。下面分別對工業(yè)機器人的末端點及中間點進行速度、加速度、位移進行曲線輸出。設(shè)置時間為5秒,步數(shù)為50步，輸出圖形如圖44到414所示末端點位移曲線圖44末端點在X方向上的位移曲線安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21圖45末端點在Y方向上的位移曲線圖46末端點在Z方向上的位移曲線末端點速度曲線圖47末端點在X方向上的速度曲線陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析22圖48末端點在X方向上的速度曲線圖49末端點在X方向上的速度曲線末端點加速度曲線圖410末端點在X方向上的加速度曲線安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）23圖411末端點在Y方向上的加速度曲線圖412末端點在Z方向上的加速度曲線中間點位移曲線圖413中間點在X方向上位移曲線陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析24圖414中間點在X方向上位移曲線圖415中間點在X方向上位移曲線中間點速度曲線圖416中間點在X方向上速度曲線安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）25圖417中間點在Y方向上速度曲線圖418中間點在Z方向上速度曲線中間點加速度曲線圖419中間點在X方向上加速度曲線陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析26圖420中間點在Y方向上加速度曲線圖421中間點在Z方向上加速度曲線安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）27結(jié)論與展望本文對一臺6自由度關(guān)節(jié)教學(xué)機器人進行方案的創(chuàng)成、機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并對運動學(xué)和動力學(xué)問題進行了研究和理論計算，建立了該機器人的串聯(lián)6桿運動坐標(biāo)體系，及其簡化結(jié)構(gòu)的多剛體動力學(xué)模型，對上述模型進行了運動學(xué)和動力學(xué)分析，給出了該機器人系統(tǒng)的運動方程。本文還對該機器人系統(tǒng)做了考慮重力因素的軌跡跟蹤仿真，即借助CATIA實體建模功能建立該6自由度機器人的三維真實幾何物理參數(shù)模型，通過PRO/E導(dǎo)入ADAMS平臺，生成了動力學(xué)仿真虛擬模型，并在重力環(huán)境條件下，對模型進行了有一定程度的軌跡跟蹤仿真測試和試驗，取得了各關(guān)節(jié)參數(shù)系列的有價值試驗數(shù)據(jù)。仿真試驗及其結(jié)果表明，ADAMS系統(tǒng)以拉格朗日第一類方程為核心的動力學(xué)求解模塊及其快速算法具有對各類多剛體動力學(xué)問題的廣泛適應(yīng)性，完全適合于對多自由度機器人系統(tǒng)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真試驗研究，所取得的計算結(jié)果也是完備、正確和及時的，因此在很大程度上可以取代傳統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)理論分析方法對多自由度機器人系統(tǒng)進行運動學(xué)和動力學(xué)方面的研究。通過一學(xué)期的設(shè)計分析，完成了對工業(yè)機器人的三維設(shè)計與運動分析，但其中仍有很多不足之處，一方面是自己的專業(yè)知識不夠扎實，在加上我對機器人以前沒有什么了解導(dǎo)致設(shè)計中存在錯誤和缺陷；另一方面，由于我對軟件知識的欠缺，導(dǎo)致我對所設(shè)計的工業(yè)機器人分析的還不夠全面。在21世紀(jì)，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在企業(yè)的應(yīng)用將更加深入，機械產(chǎn)品開發(fā)與計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)合將更加緊密，既通過虛擬試驗和測試在產(chǎn)品開發(fā)階段就可以幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并提出改進意見，所以我們要對現(xiàn)代研發(fā)技能提出了更高的要求。在我們學(xué)好專業(yè)基礎(chǔ)知識的同時，還要與時俱進，充分掌握時代發(fā)展的前沿技術(shù)，這樣才能不為社會淘汰，提高國家整體技術(shù)水平。陳卓工業(yè)機器人三維設(shè)計與運動分析28致謝在即將完成本科階段的學(xué)習(xí)之際，我要衷心的感謝所有曾經(jīng)關(guān)心過我，幫助過我，支持過我的老師和同學(xué)們首先特別感謝我的導(dǎo)師王雷老師對我畢業(yè)設(shè)計的教導(dǎo)。在整個論文的完成過程中，包括論文的選題、研究的地點、進度的安排等各個方面，王老師都給了我熱情耐心的幫助和悉心的教導(dǎo)。論文研究工作的完成，不僅是我的辛勞付出，同時也傾注了導(dǎo)師的心血與關(guān)懷。導(dǎo)師為人謙虛誠懇、做事嚴(yán)謹(jǐn)認真，這些將永遠鞭策我、激勵我前行。再次感謝王老師在學(xué)習(xí)和生活上給予我的指導(dǎo)和幫助與此同時，我要感謝感謝畢業(yè)設(shè)計中給予我們指導(dǎo)和幫助的王幼民老師和闞宏林老師。他們在課題報告、中期答辯期間給我們提出了真誠的建議，在我們平時的學(xué)習(xí)中也給與我們無私的幫助此外，我還要特別感謝我的父母，因為這四年里，他門不僅無償?shù)慕o我提供生活上的資助和鼓勵，還給了我學(xué)習(xí)上的信心和鼓勵，促使我完成學(xué)業(yè)最后我對所有關(guān)心我、支持我，幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們一并送上我衷心的感謝和祝福作者陳卓2012年6月8日安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）29參考文獻1吳振彪，王正家工業(yè)機器人M武漢華中科技大學(xué)出版社，20062周