工業(yè)機(jī)械手運(yùn)動分析與仿真論文

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1、江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)學(xué) 院 專 業(yè) 學(xué)生姓名 班級學(xué)號 指導(dǎo)教師 二零零九年六月- I -江蘇科技大學(xué)本科畢業(yè)論文工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動分析與仿真（kinematics analysis and simulation of the industrial robot）摘 要近二十年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國在機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的差距，因此研究和設(shè)計(jì)各種用途的機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人、推廣機(jī)器人的應(yīng)用是有現(xiàn)實(shí)意義的。典型的工業(yè)機(jī)器人例如焊接機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、裝配機(jī)器人等大多是固定在生產(chǎn)線或加工設(shè)備旁

2、邊作業(yè)的，本論文在參考大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目的要求，設(shè)計(jì)了一種小型的、固定在AGV上以實(shí)現(xiàn)移動的六自由度串聯(lián)機(jī)器人。首先，針對機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求提出了多個方案，對其進(jìn)行分析比較，選擇其中最優(yōu)的方案進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);同時進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，用D一H方法建立了坐標(biāo)變換矩陣，推算了運(yùn)動方程的正、逆解;用矢量積法推導(dǎo)了速度雅可比矩陣，并計(jì)算了包括腕點(diǎn)在內(nèi)的一些點(diǎn)的位移和速度;然后借助坐標(biāo)變換矩陣進(jìn)行工作空間分析。這些工作為移動式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動力學(xué)分析和運(yùn)動控制提供了依據(jù)。在Pro/E中完成6自由度機(jī)械手及其手爪的三維造型和裝配，將模型導(dǎo)入ADAMS中，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到機(jī)械手各個部位的速度

3、、加速度、角速度、角加速度在X、Y和Z方向上隨時間變化的曲線圖。最后用ADAMS軟件進(jìn)行了機(jī)器人手臂的運(yùn)動學(xué)仿真，并對其結(jié)果進(jìn)行了分析，對在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用虛擬樣機(jī)技術(shù)做了嘗試，積累了經(jīng)驗(yàn)。關(guān)鍵詞:機(jī)器人;建模；運(yùn)動學(xué)分析;反解；仿真ABSTRACTIn the Past twenty years，the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries

4、 in research and application of the robot technology so that there will be a great value to study，design and applied different kinds of robots，especially industrial robots.Most typical industrial robots such as welding robot，painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near

5、 the machining equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project，the author have designed a kind of small一size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot.First of all，several kind

6、s of schemes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time，The kinematics analysis was conducted，coordinate transformation matrix using D一H method was set up，and the kinematics equation direct soluti

7、on and inverse solution was deduced，the matrix was constructed using vector product method，and the values displacement and velocity of some special point including the wrist point were calculated. Secondly，the working space of the robot was analyzed and the axes section of practical working space wa

8、s drawn. These works provided a basis to structure design, kinematics and control.In the Pro / E do the completion of six degrees of freedom manipulators and grippers three-dimensional modeling and assembly. models will be imported in ADAMS, and do the simulation and kinematics. Gain the speed, acce

9、leration, velocity, angle acceleration of its various parts in the X, Y and Z direction over time the curve.At last, the robot arms kinematics was simulated by using software ADAMS，and the simulation result was analyzed. In the experiment，the author tried to use the virtual prototyping technology in

10、 mechanism design.Keywords: Robot; modeling; Kinematics Analysis; reverse kinematics; simulation目 錄中文摘要3英文摘要4第1章 緒論81.1我國機(jī)器人研究現(xiàn)狀81.2工業(yè)機(jī)器人概述 81.3本論文研究的主要內(nèi)容 9第2章 機(jī)器人方案的創(chuàng)成和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 102.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)102.2與機(jī)器人有關(guān)的概念 11 2.3方案設(shè)計(jì) 122.3.1方案要求 122.3.2方案功能設(shè)計(jì)與分析 132.4方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 14第3章 運(yùn)動學(xué)分析153.1概述 153.2運(yùn)動學(xué)分析 153.2.1空

11、間機(jī)構(gòu)中兩任意坐標(biāo)系的變換關(guān)系 153.2.2在各運(yùn)動關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系 163.2.3確定各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動變量 173.2.4寫出相鄰兩構(gòu)件坐標(biāo)系間的位姿矩陣 173.3運(yùn)用Matlab編程進(jìn)行機(jī)械手的模擬運(yùn)動 183.4運(yùn)動學(xué)方程的逆解 203.3 確定機(jī)械手的工作空間 22第4章 機(jī)械手的建模與仿真 244.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 244.11 三維建模軟件Pro/E的介紹 244.12 PRO/E 建模 244.2 運(yùn)用ADAMS對模型進(jìn)行仿真 314.21虛擬樣機(jī)技術(shù)概述 314.2.2 導(dǎo)入ADAMS仿真前的步驟 324.2.3運(yùn)用ADAMS對機(jī)械手進(jìn)行仿真 374.2.4用ADA

12、MS仿真后處理 39第5章 總結(jié) 40致 謝 41參考文獻(xiàn) 42附錄：1、外文資料2、中文翻譯另附：機(jī)械手裝配圖及機(jī)械手腕裝配圖第1章 緒論1.1我國機(jī)器人研究現(xiàn)狀機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國是從20世紀(jì)80年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“

13、七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987年，我國的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有:哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動化研究所1993年研制的噴涂機(jī)器人，1995年完成的高壓水切割機(jī)器人，國家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m機(jī)器人，無纜深潛機(jī)器人，遙控移動作業(yè)機(jī)器人，2000年國防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華南理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，

14、以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。我國目前擁有機(jī)器人4000臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家。在機(jī)器人研究方面，我國與發(fā)達(dá)國家還有一定差距。 1.2工業(yè)機(jī)器人概述:在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為:“一種自動定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持l具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為:“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。”一個

15、典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等兒部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有46個自由度，其中23個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余23個目由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。1.3本論文研究的主要內(nèi)容系統(tǒng)學(xué)習(xí)了機(jī)器人技術(shù)的知識，查閱了大量的文獻(xiàn)資料，對國內(nèi)外機(jī)器人、主要是工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀有了比較詳細(xì)的了解。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合作者本人的設(shè)想，和設(shè)計(jì)工作中需要解決的任務(wù)，主要進(jìn)行以下幾項(xiàng)工作: (1) 調(diào)研收集分析有關(guān)資料，總結(jié)工業(yè)機(jī)器手機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)；(2) 工業(yè)機(jī)器手機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)；(3) 工業(yè)機(jī)器手運(yùn)動學(xué)分析與仿真；(4) 工業(yè)機(jī)器手動力學(xué)分析與仿真

16、（利用機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS對簡化后的操作臂模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，對在機(jī)械設(shè)計(jì)中使用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行嘗試和探索）。第2章 機(jī)器人方案的創(chuàng)成和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(或移動關(guān)節(jié))連接起來的開式運(yùn)動鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩(或力)之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)方法。

17、末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩之間的關(guān)系是動力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動的影響，作用在每個關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)藕合、位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積使機(jī)器人的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)時特別要注意剛度和精度設(shè)計(jì)。再次，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)

18、構(gòu)設(shè)計(jì)時必須要考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不同的。另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。2.2與機(jī)器人有關(guān)的概念以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。1、自自度:工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)。以移動副相連的關(guān)節(jié)稱為移動關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。主動關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。2機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法有多種。(1)按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP):(a)點(diǎn)位控制型(P

19、oint to Point Control):機(jī)器人受控運(yùn)動方式為自一個點(diǎn)位目標(biāo)向另一個點(diǎn)位目標(biāo)移動，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時的軌跡控制。(b)連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control):機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時做受控運(yùn)動，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機(jī)的角位移和角速度信號，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。(2)按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類:(a)直角坐標(biāo)型:該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié)，運(yùn)動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒有藕合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工

20、作空間小。(b)圓柱坐標(biāo)型:該型機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)為兩個移動關(guān)節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，以，r，z:為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P=f(，r，z)，其中， r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。(c)球坐標(biāo)型:具有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)。以， y為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P=f(，y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。(d)關(guān)節(jié)坐標(biāo)型:有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型(SCARA型)機(jī)器人。前三個關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。(3)按驅(qū)動方式分類:按驅(qū)動方式可分為:(a)氣壓驅(qū)動;(b)液

21、壓驅(qū)動;(。)電氣驅(qū)動。電氣驅(qū)動是20世紀(jì)90年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運(yùn)動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。(4)按用途分類:可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。2.3方案設(shè)計(jì)2.3.1方案要求如前所述，該機(jī)器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運(yùn)、裝夾和日常生活中的持物、看護(hù)等。能夠固定在移動裝置(如AGV)上，以實(shí)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5一6個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。采用電動機(jī)驅(qū)動，設(shè)計(jì)負(fù)重為3公斤，手爪開合范圍5mm100mm。(1)基本工作要求：

22、長時間工作后機(jī)械手本體不產(chǎn)生顯著變形。 (2)運(yùn)動要求:機(jī)械手能把工件從位置1搬運(yùn)到位置2，如圖2-1所示 圖2-1(3)剛性要求：手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性，運(yùn)動的速度和定位精度。如果剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時工件卡死無法工作，為此在設(shè)計(jì)手臂時應(yīng)讓手臂具有足夠的剛度。手腕和手臂的動作關(guān)系是：手臂的三個自由度是用來使工件（或工具）作上下、左右或前后往復(fù)移動和定位的，而手腕的三個自由度是用來調(diào)整該工件（或工具）的方向用的。2.3.2設(shè)計(jì)方案的確定（1）結(jié)構(gòu)特征機(jī)械手具有6個自由度，屬于PUMA560型機(jī)械手。機(jī)

23、座采用落地式。手腕的動作雖不多，但它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。在具有足夠力量的情況下，重量盡可能要輕，為此采用連桿杠桿式手爪。（2）設(shè)計(jì)過程確定各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動參數(shù)寫出各尺寸間的運(yùn)動關(guān)系利用MATLAB編程進(jìn)行簡單的運(yùn)動學(xué)仿真求機(jī)械手的逆解計(jì)算機(jī)械手的工作空間運(yùn)用Pro/E和ADAMS對機(jī)械手進(jìn)行建模和仿真。機(jī)械手運(yùn)動過程：手爪抓取工件大臂抬起45小臂抬起45機(jī)座旋轉(zhuǎn)180大臂下降45小臂下降45手爪放開工件。2.4方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析該機(jī)器人的本體組成如圖2一5。圖2一5機(jī)器人本體組成l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。各部件組成和功能描述如下:(l)底座部件:底

24、座部件包括底座、回轉(zhuǎn)部件、傳動部件和步進(jìn)電機(jī)等。底座部件固定在自動引導(dǎo)車(AGV)上，支持整個操作機(jī)，步進(jìn)電機(jī)固定在底座上，一級同步帶傳動將運(yùn)動傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，伺時起到減速作用。(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(jìn)電機(jī)、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動。在腰部支上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機(jī)。(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(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)。(5)手腕部件:包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機(jī)械接口等。第3章 機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)分析3

25、.1概述多自由度機(jī)器人是具有多個關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，可以在每個關(guān)節(jié)上建立一個坐標(biāo)系，利用坐標(biāo)系之間的關(guān)系來描述末端執(zhí)行器的位姿。建立坐標(biāo)系的方法有多種。常用的有D一H法(四參數(shù)法)和五參數(shù)法及矩陣變換法等。D一H法(四參數(shù)法)是1955年由Denavit和Hartenberg提出的一種建立相對位姿的矩陣方法。它用齊次變換描述各個連桿相對于固定參考系的空間幾何關(guān)系，用一個4x4的齊次變換矩陣描述相臨兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出“末端執(zhí)行器坐標(biāo)系”相對于“基坐標(biāo)系”的等價齊次坐標(biāo)變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動方程。本文中使用D一H法來建立坐標(biāo)系并推導(dǎo)該機(jī)器人的運(yùn)動方程

26、。3.2運(yùn)動學(xué)分析3.2.1空間機(jī)構(gòu)中兩任意坐標(biāo)系的變換關(guān)系空間機(jī)構(gòu)中相鄰兩構(gòu)件坐標(biāo)系的變換如圖3-1所示。在兩構(gòu)件上分別建立兩右手直角坐標(biāo)系和。固定在構(gòu)件上的坐標(biāo)系可以看成是固定在構(gòu)件上的坐標(biāo)系的原點(diǎn)沿軸移動的距離到達(dá)然后繞軸轉(zhuǎn)動角，再沿軸移動距離到達(dá)原點(diǎn)，再繞軸轉(zhuǎn)，得到新坐標(biāo)系，即構(gòu)件的位置和姿態(tài)。圖3-1 空間機(jī)構(gòu)相鄰兩構(gòu)件坐標(biāo)系的變換如圖可得到如下矢量關(guān)系 由于式中各矢量分屬不同的坐標(biāo)系，引入變換矩陣，以便按同一坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)算。則有設(shè)坐標(biāo)系變換到坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣為，3.2.2在各運(yùn)動關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系機(jī)械手由機(jī)座及六個活動桿件組成，具有六個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。所謂運(yùn)動學(xué)方程就是確定六個活動桿件

27、的構(gòu)件坐標(biāo)系向機(jī)座（或絕對）坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換。下面在各運(yùn)動關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系，如圖3-2所示。圖3-2 機(jī)械手機(jī)構(gòu)示意圖及其坐標(biāo)系3.2.3確定各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動變量各關(guān)節(jié)的運(yùn)動變量都是繞軸的轉(zhuǎn)角,分別用表示。將機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動變量列于表3-1中，這里的是運(yùn)動變量，其余為結(jié)構(gòu)參數(shù)。表3-1 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動變量構(gòu)件編號0-10-11-20102-3013-40-14-5015-60103.2.4寫出相鄰兩構(gòu)件坐標(biāo)系間的位姿矩陣設(shè)為構(gòu)件和構(gòu)件之間的齊次變換矩陣,利用公式（1），結(jié)合圖3-2易得：3.3運(yùn)用Matlab編程進(jìn)行機(jī)械手的模擬運(yùn)動由于在MATLAB中進(jìn)行的只是簡單的運(yùn)動仿

28、真，所以可將機(jī)械手簡化成杠桿機(jī)構(gòu)，如圖3-3所示。圖3-3為了編程方便，先建立各機(jī)構(gòu)間的尺寸關(guān)系，設(shè) ，則，。編寫的程序分為六大塊，分別為設(shè)定機(jī)構(gòu)尺寸、小臂上升45、大臂上升45、底座旋轉(zhuǎn)180、大臂下降45和小臂下降45。圖3-4為部分程序截圖。圖3-4程序的部分截圖程序編完后，點(diǎn)擊運(yùn)行程序會出現(xiàn)圖3-5所示對話框。圖3-5 運(yùn)動仿真該圖為構(gòu)件的初始位置，手爪在位置1處（整個過程中手爪部始終與地面保持垂直），按回車后，小臂繞轉(zhuǎn)動軸1旋轉(zhuǎn)45后抬起，再按回車，大臂繞轉(zhuǎn)動軸2旋轉(zhuǎn)45后抬起，再按回車，腰部繞旋轉(zhuǎn)中心逆時針旋轉(zhuǎn)180，再按回車，大臂繞轉(zhuǎn)動軸2旋轉(zhuǎn)45后下降，再按回車，小臂繞轉(zhuǎn)動軸2

29、旋轉(zhuǎn)45后下降，這時手爪到達(dá)位置2。3.4運(yùn)動學(xué)方程的逆解對運(yùn)動學(xué)逆問題的求解方法，由式可知，當(dāng)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)給定時，等式左端的矩陣為已知，而等式右端則包含很多待求的運(yùn)動參數(shù)，而根據(jù)兩端矩陣的對應(yīng)元素應(yīng)相等，可得一組多變量的三角函數(shù)方程。求解這些運(yùn)動參數(shù)，需解一組非線性超越函數(shù)方程。1 求采用逆變法求解，將用到齊次變換矩陣的逆矩陣，將上式兩端矩陣相乘。其中若令（即將原點(diǎn)移至，使其重合；以簡化求解計(jì)算）則第四列的前三行元素的等式為 （3-1） （3-2） （3-3）在矩陣12個對應(yīng)元素等式中尋找到只含有一個待求運(yùn)動參數(shù)的式3-3，作三角代換，令，則有,代入式3-3，有得：; ,取。

30、2 求求得后，將式3-1和式3-2分別平方后相加并整理，得上式右端為已經(jīng)量，將其整理成與式3-3類似的形式仿式3-3得，取。3 求采用逆變換矩陣 左乘等式的兩端，得其中令,上式經(jīng)矩陣連乘運(yùn)算，得第四列的前三行元素等式為 （3-4） （3-5） （3-6）將式3-4和式3-6聯(lián)立求解,令，得，取。 3.3 確定機(jī)械手的工作空間 根據(jù)國標(biāo)中的規(guī)定，工作空間是指工業(yè)機(jī)器人正常運(yùn)行時，手腕參考點(diǎn)能在空間活動的最大范圍。故用作為所求工作空間的參考點(diǎn)，將六自由度機(jī)機(jī)械手工作空間的計(jì)算簡化成三自由度機(jī)械手工作的計(jì)算。 圖3-6和圖3-7為機(jī)械手在平面內(nèi)的工作空間。圖3-6 工作空間圖3-7 工作空間圖3-6

31、是在平面內(nèi)以為圓心，為半徑的圓族所組成的扇形區(qū)域。圖3-7是在平面內(nèi)以為圓心，為半徑的圓族所組成的扇形區(qū)域。當(dāng)繞著軸在取值范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，則形成了此機(jī)械手的工作空間，它是一個有一段開口的環(huán)行空間，其極限位置取決于的轉(zhuǎn)角范圍。第4章 機(jī)械手的建模與仿真4.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)根據(jù)第三章計(jì)算出的結(jié)果結(jié)合PUMA560型機(jī)器人的外觀，運(yùn)用Pro/E建立機(jī)械手各部分的模型，包括手腕、手臂、機(jī)座等等，然后在Pro/E里面新建一個組件將它們裝配起來并保存，形成完整的機(jī)械手裝配體。安裝Pro/E和ADAMS專用接口模塊Mechanism/Pro，打開保存的機(jī)械手裝配體，運(yùn)用Mechanism/Pro將裝配體中的每

32、個零件都設(shè)置成剛體，設(shè)置完成后給各關(guān)節(jié)創(chuàng)建運(yùn)動副，加驅(qū)動（由于在Pro/E里面設(shè)置具體的運(yùn)動參數(shù)比較麻煩，先設(shè)一任意值，導(dǎo)入ADAMS之后，在ADAMS里面修改）！在Mechanism/Pro菜單命令下保存，退出PRO/E。打開ADMAS，導(dǎo)入之前保存的文件，修改單位為MMKS制，修改每個MOTION的運(yùn)動參數(shù)。修改完后進(jìn)行仿真，并檢查機(jī)械手的運(yùn)動軌跡是否跟預(yù)想的一致，確定無誤后，將仿真過程做成動畫（AVI格式）4.11 三維建模軟件Pro/E的介紹Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術(shù)公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）

33、的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。Pro/E第一個提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決牲的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。4.12 PRO/

34、E 建模打開PRO/E新建，類型選擇零件，子類型選擇實(shí)體，零件名自己命名，然后設(shè)置工作目錄文件夾機(jī)械手，然后點(diǎn)擊草繪工具命令，彈出如下圖所示的對話框，點(diǎn)擊FRONT平面作為草繪平面，使用默認(rèn)草繪方向。點(diǎn)擊草繪對話框，進(jìn)入草繪工作狀態(tài)后，開始零件建模。圖4-1 手抓圖4-2 擺動手腕圖4-3 旋轉(zhuǎn)手腕圖4-4 機(jī)械手小臂圖4-5 機(jī)械手大臂圖4-6轉(zhuǎn)臺圖4-7 機(jī)身圖4-8基座圖4-9基座蓋圖4-10螺栓圖4-11螺母圖4-12轉(zhuǎn)軸1圖4-13轉(zhuǎn)軸2圖4-14轉(zhuǎn)軸3待所有零件模型建完后，再將這些零件裝配。打啟動Pro/ENGINEER Wildfire后，單擊圖標(biāo)工具欄中的【新建文件】圖標(biāo)，出現(xiàn)

35、新建組件對話框。在【類型】欄中選擇【組件】，在【子類型】欄中選擇【設(shè)計(jì)】，【名稱】采用默認(rèn)名稱，單擊【確定】按鈕。此時，在主窗口將出現(xiàn)3個基準(zhǔn)平面（依次為ASM_FRONT、ASM_RIGHT和ASM_TOP平面）。從中選擇并機(jī)械手的零件，將其打開在裝配區(qū)。得其裝配體如下圖所示。圖4-13 機(jī)械手三維模型4.2 運(yùn)用ADAMS對模型進(jìn)行仿真4.21虛擬樣機(jī)技術(shù)概述虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual prototyping Teehnology)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(指在某一單一系統(tǒng)中零部件的CAD和FEA技術(shù))揉和在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品

36、在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，從而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)。隨著工業(yè)和經(jīng)濟(jì)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(jì)和制造過程中，一般的過程是首先概念設(shè)計(jì)而后方案論證，然后進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)完成后，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)，通常要進(jìn)行產(chǎn)品的試制。當(dāng)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷時，再次修改設(shè)計(jì)并再次進(jìn)行產(chǎn)品試制，通過反復(fù)地設(shè)計(jì)一試制一設(shè)計(jì)過程，才能達(dá)到目

37、標(biāo)要求。這一過程是冗長的，設(shè)計(jì)周期無法縮短，就不可能對市場進(jìn)行靈活應(yīng)對，同時，樣機(jī)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(jī)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(jì)和制造過程中的缺點(diǎn)的新技術(shù)。在虛擬樣機(jī)技術(shù)中，設(shè)計(jì)人員直接利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)提供的零部件的物理信息和幾何信息，在計(jì)算機(jī)上定義零部件間的連接關(guān)系并對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行虛擬裝配，從而獲得機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，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(yùn)動，并對其在各種情況下的運(yùn)動和受力情況進(jìn)行分析，觀察并實(shí)驗(yàn)各組成部件相互運(yùn)動情況，并在計(jì)給幣禮

38、土反復(fù)地修改設(shè)計(jì)缺陷，仿真小同的設(shè)計(jì)方案，對整個系統(tǒng)不舒地進(jìn)仃改進(jìn)，直到獲得最優(yōu)的設(shè)一計(jì)方案后，在進(jìn)行物理樣機(jī)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(jī)技術(shù)的核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制理論，同時緊密結(jié)合了三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù)，另外也.與計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的發(fā)展程度密切相關(guān)，計(jì)算機(jī)硬件的性能對虛擬樣機(jī)的分析計(jì)算、仿真的結(jié)果有著極大的影響和制約。虛擬桿機(jī)技術(shù)在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的商晶化虛擬樣機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的。國外虛擬樣機(jī)已實(shí)現(xiàn)了商品化。目前有比較有影響的軟件有美國機(jī)械動力學(xué)公司的ADAMS，比利時LMS公司的DA

39、DS，德國航天局的SIMPACK。其中美國機(jī)械動力學(xué)公司的DAMAS占據(jù)了市場的50%以上?？梢哉fADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical)程序是世界上應(yīng)用最廣泛的最具權(quán)威性的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件。4.2.2 導(dǎo)入ADAMS仿真前的步驟先在proe將機(jī)械手的裝配圖保存（*x_t）文件形式，如下圖圖4-2-2-1 保存副本按確定，彈出：輸出PARASOLID窗口，如下圖圖4-2-2-2 輸出按確定，就會有保存的文件為打開 adams-view 彈出窗口 如圖4-2-2-3，在Model name:寫入jixieshoufangzhen,按

40、 ok圖4-2-2-3 改文件名接下來是將在proe里建的三維模型導(dǎo)入到adams里，步驟如下：在adams-view-File-import：彈出一個窗口圖4-2-2-4 import點(diǎn)擊import將彈出一個窗口：圖4-2-2-5 導(dǎo)入路徑在File Type 欄里找到需要的文件格式：Parasolid( *.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，并選擇好文件的路徑，按ok，導(dǎo)入到adams里的模型圖4-2-2-5導(dǎo)入到adams里的模型在adams里定義各個部件的質(zhì)量，具體步驟如下：圖4-2-2-6 定義質(zhì)量步驟1圖4-2-2-7 定義質(zhì)量步驟2圖4-2-2-7

41、定義質(zhì)量步驟3設(shè)置轉(zhuǎn)動副圖4-2-2-8設(shè)置轉(zhuǎn)動副設(shè)置需要固定的部件圖4-2-2-9 設(shè)置固定加驅(qū)動圖4-2-2-10加驅(qū)動所有都設(shè)置好的模型圖圖4-2-2-11在adams里模型 4.2.3運(yùn)用ADAMS對機(jī)械手進(jìn)行仿真圖4-2-3-1 ADAMS命令對話框點(diǎn)擊圖4-2-3-1中的按鈕，圖中Simulation一欄，End Time值設(shè)為3（秒）,Steps值設(shè)為500。點(diǎn)擊，這個時候機(jī)械手就從位置1運(yùn)動到位置2了。（4）將仿真過程做成動畫在ADAMS主窗口下依次選擇菜單下的Reviewpostprocessing（或者直接按F8）,進(jìn)入postprocessins頁面。在窗口左上角選擇An

42、imation，進(jìn)入動畫制作模式，然后在窗口右處黑色區(qū)域右擊鼠標(biāo)出現(xiàn)如圖4-2-3-2所示對話框。圖4-2-3-2 加載模型圖4-2-3-2 動畫制作選擇Load Animation，機(jī)械手模型就會出現(xiàn)在窗口黑色區(qū)域中，如圖4-2-3-2所示，將機(jī)械手調(diào)整到一個適合觀察的角度，然后依次選擇菜單中的FileSelect Directory選取動畫保存的文件夾。然后點(diǎn)擊圖中的紅色R按鈕，再點(diǎn)擊圖中的播放按紐開始錄象，掃描2次就可以了。 4.2.4用ADAMS仿真后處理在ADAMS主菜單下依次選擇ReviewPostprocessing（F8），彈出ADAMS/PostProcessor窗口，在該窗

43、口下可對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動學(xué)跟動力學(xué)的分析。運(yùn)動分析在窗口左上角選擇Plotting，選擇窗口右下角 DATA 標(biāo)簽，在標(biāo)簽下有幾個地方可供用戶選擇。filter一欄為分析對象，可選擇零件、力或者鉸鏈；Object一欄是用來確定分析哪個零件的；Characteristic一欄是用來確定分析的內(nèi)容，如速度、加速度、角速度和角加速度等等；component一欄是用來確定參考系的。都選種之后，點(diǎn)擊Add Curves，然后運(yùn)動曲線圖就出來了。圖1為大臂的位置、速度和加速度在方向上隨時間變化的曲線圖。 圖1 圖2為大臂的角速度和角加速度在方向上以及動能隨時間變化的曲線圖。圖2 第5章 總結(jié)本論文取得的結(jié)果

44、在Pro/E中完成零件的三維造型和裝配后，再將模型導(dǎo)入ADAMS中，從而克服了ADAMS三維造型能力差的缺點(diǎn)。三維裝配模型導(dǎo)入ADAMS中后，能很好的對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的分析。另外也可以對機(jī)械手進(jìn)行靜力學(xué)、動力學(xué)等方面的分析，觀察其工作姿態(tài)，判斷其運(yùn)動方案的合理性，為對機(jī)器人的其他控制打下基礎(chǔ)。此技術(shù)同樣可以應(yīng)用到工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及機(jī)械制造等眾多相關(guān)領(lǐng)域，能大大簡化產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費(fèi)用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。該設(shè)計(jì)可作進(jìn)一步的改進(jìn)，在ADAMS仿真一塊可改變各鉸鏈處驅(qū)動的運(yùn)動函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手預(yù)期的軌跡運(yùn)動。致 謝本論文是在導(dǎo)師李濱城教授的悉心指導(dǎo)下完成的。老師對我

45、們很關(guān)心，從論文選題到論文完成，導(dǎo)師淵博的學(xué)識、活躍的學(xué)術(shù)思想、對待研究的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和無私的奉獻(xiàn)精神都是學(xué)生的楷模，使我受益，在論文完成之際，謹(jǐn)向尊敬的導(dǎo)師致以崇高的敬意和由衷的感謝。感謝學(xué)姐楊丹同學(xué)，她很耐心幫我分析我問題，給我講解在adams里運(yùn)動仿真要設(shè)置的相關(guān)細(xì)節(jié)問題。感謝老師和同學(xué)的幫助讓我在大學(xué)四年的最后時間里學(xué)到了很多知識，從proe都不會到熟練的程度，學(xué)會了用adams仿真等，感覺這兩個月過的很充實(shí)，忙中有樂。真心感謝關(guān)心我的同學(xué)們，送給你們最深的祝福！我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報(bào)母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產(chǎn)生些許積極的價值！參考文獻(xiàn)1 黃純穎等. 機(jī)

46、械創(chuàng)新設(shè)計(jì)M。北京：高等教育出版社， 2000.72 郭仁生. 機(jī)械工程設(shè)計(jì)分析和Matlab應(yīng)用M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.83 周金萍等. MATLAB 6實(shí)踐與提高M(jìn)。 北京：中國電力出版社，2002.14 鄭建榮. ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.15 徐應(yīng).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊M。北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20006 張繼春，楊建國. 裝配設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真及Pro/E實(shí)現(xiàn)M。北京：國防工業(yè)出版社，2006.17 劉廣瑞. 機(jī)器人創(chuàng)新制作M。西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2007.028 馮辛安，黃玉美。機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社，1999.109 周伯英。工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)-機(jī)械工業(yè)出版社，199510 孫迪生，王炎。機(jī)器人控制技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，1998附錄：1、外文資料2、中文翻譯另附：機(jī)械手裝配圖及機(jī)械手腕裝配圖第 42 頁 共 42 頁