四自由度平面关节型机器人结构分析与优化

一批注MZ1:分类号UDC密级学位论文四自由度平面关节型机器人结构分析与优化作者姓名：张进伟指导教师：柳洪义教授东北大学机械电子工程研究所申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：机械电子工程论文提交日期：2008年 月论文答辩日期：2008年7月学位授予日期：2008年 月答辩委员会主席:评阅人：东北大学2008年6月A Thesis for the Degree of Master in Mechanical and Electronic EngineeringAnalysis and Optimization of the Structure of4-DOF SCARA RobotBy Zhang JinweiSupervisor: Professor Liu HongyiNortheastern UniversityJune 2008东北大学硕士学位论文摘要独创性声明带格式的：样式标题1 + 段前：1行段后：1行，制 表位：23.69 字符,居中本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意、。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年一年口一年半两年学位论文作者签名：导师签名:签字日期：签字日期:四自由度平面关节型机器人结构分析与优化摘要工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作， 如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点 焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。它 是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制理论、 传感器技术、人工智能理论等科学技术理论的综合应用。机器人技术的研究与开发标志 着一个国家科学技术的水平，而机器人在各种工业领域的普及应用，则显示了这个国家 的经济和科技发展的综合实力。机器人技术是多学科的综合运用，在众多类型机器人中，平面关节型机器人在平面 内的运动具有较大的柔性，沿升降轴的运动具有很强的刚性，非常适合应用于搬运、焊 接和装配等重复性任务，因此在工业生产中得到广泛应用。本文以四自由度平面关节型 机器人结构为基础，重点研究了四自由度平面关节型机器人结构分析与优化的问题。首先，以Pro/E软件为基础，对平面关节型机器人总体结构进行设计。在结构设计 过程中详细讨论多种设计方法、设计原理、以及设计过程中的要求与原则，通过对不同 设计参数及结构进行对比分析得出最优的设计结构与尺寸。在同样的工作空间内完成相同动作时，针对其它四自由度平面关节型机器人结构进行分析对比，分析了不同结构参 数对机器人动态运行的影响，为机器人设计者提供参考。这种在具体设计之前预先给出 不同设计结构之间优缺点的方法能够使设计者根据任务的要求选择机器人的结构和参 数，减少设计过程中不必要的重复工作。其次，对机器人进行运动学仿真分析以及结构优化。经过虚拟仿真可以检查机器人 设计的合理性，以及观察机器人结构在运动过程中的相互干涉性，并在ANSYS软件中建立各臂模型，进行位移、应力、模态分析，从中选择最优的结构，进而确定本体设计 和验证设计方案的合理性。最后，通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较，根据系统对快速响应、 平稳工作的要求，对平面关节型机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行 计算选择，从而机器人系统设计达到最优。关键词：平面关节型机器人；四自由度；运动仿真；Pro/E； ANSYSII东北大学硕士学位论文AbstractAn alysis and Optimizati on of the structure of4-DOF SCARA RobotAbstractThe in dustry robot gen erally refers the robot which is used in the mecha ni cal manu facturi ng in dustry, replaci ng the huma n to complete the mass and high request work, such as the automobile manufacture, the motorcycle manufacture, the ships manufacture, and the work of spot weldi ng, the arc weld ing, the painting, cut, the electro nic assembly and the tran sport ing, the pack ing, piles buttress in the automatic product ion line of certa in electrical applia nces manufacture and chemical in dustry and so on. It is the in tegrated applicati on of tech no logical theory, such as kin ematics and dyn amics theory, mecha ni cal desig n and manufacture tech niq ue, the hardware and software of computer tech niq ue, con trol theory, sen sor tech no logy, the theory of artificial in tellige nce and so on. The applicatio n and exploitati on of robot tech nique in dicate the scie nce and tech no logy level of a coun try. What more, its usage and prevalence in some industry fields revealed the synthetical strength of a country s developme nt in economy and tech no logy.Robot tech nique is the syn thetical applicati on of many subjects. In nu merous types of robots, SCARA Robot has biggish flexibility in plane movement and strong rigidity in lift axes moveme nt, which is very propitious to be applied to repeat ing task such as conveying, jointing and assembly and so on, so it is applied widely in in dustry product ion. This thesis based on the structure of the 4-DOF SCARA Robot and stressly in vestigated the problem of the an alysis and optimizati on of the structure of 4-DOF SCARA Robot.Firstly, based on the software Pro/E, desig ning the overall structure of the SCARA Robot. During the process of structure desig n, many methods, eleme nts, requireme nts and principles are discussed in detail. The optimized design structure and dimension are got by comparis on and an alysis of the differe nt desig n parameter and structure; dexterity an alysis results of 4-DOF robots with differe nt structures are give n, and the results are compared with other structures of SCARA Robot with in the same workspace. The in flue nce of structural parameters on robot dexterity is an alyzed, which can serve as useful reference to robot desig ners. This kind of method can give the dexterity an alysis result before detailed desig n, and can en able desig ners to select robot structure and parameters accord ing to task requireme nts.Secon dly, the kin ematics emulatio n of the robot is an alyzed and the structure is optimized. Afterthat each arm model is founded, besides the displacement, stress, mode are an alyzed by ANSYS software, and the optimized structure is selected, seque ntially the desig n is con firmed and the rati on ality of project is validated.Fin ally, accord ing to the requireme nts of system for the rapid resp on se, smooth work, after the comparis on of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the SCARA Robot, AC servo motor and reducer to realize motion con trol of robot, so that robot system desig n is optimal at last.Key words : SCARA Robot; 4-DOF; Motion Simulation; Pro/E; ANSYS-iii -东北大学硕士学位论文目录目录独创性声明I摘要IIAbstractiii目 录V第一章绪论11.1课题研究的背景与意义 11.2国内外机器人发展现状 21.3工业机器人特点及分类 31.3.1工业机器人特点31.3.2工业机器人分类41.4工业机器人的构成及应用 61.4.1工业机器人构成 61.4.2工业机器人技术参数 71.4.3工业机器人的应用 81.5本论文研究的基本内容 81.5.1机器人本体结构设计 91.5.2机器人系统动态优化设计 91.5.3机器人结构CAE分析91.5.4 伺服系统选择 9第二章 机器人本体设计 102.1机械系统的设计 102.1.1 CAD 软件 Pro/E 概述102.1.2机器人结构设计的主要坐标式 132.1.3机器人本体设计原则 142.2机器人结构设计与优化 162.2.1机身的设计与优化 162.2.2臂1的设计与优化172.2.3臂2的设计与优化202.2.4臂3的设计与优化22225机械手设计与优化 25第三章机器人虚拟仿真与运动学分析 263.1机器人组件装配 263.1.1机身与臂1虚拟装配 263.1.2臂1与臂2虚拟装配 273.1.3臂2与臂3虚拟装配273.1.4机械手虚拟装配 283.1.5机器人模态的整体总装 283.2虚拟仿真293.3机器人的运动学分析 333.3.1机器人齐次坐标系的建立 333.3.2机器人正运动学分析353.3.3机器人逆运动学分析 36第四章 机器人结构 CAE分析384.1机器人有限元分析原理 384.1.1形状函数384.1.2单元刚度矩阵394.1.3单元节点位移 414.1.4系统固有频率 414.2机器人双臂的ANSYS有限元分析424.2.1 ANSYS有限元分析的特点 424.2.2机器人臂1 ANSYS有限元分析424.2.3机器人臂3 ANSYS有限元分析 45第五章伺服系统选择设计 495.1步进电机和交流伺服电机性能比较 495.2机器人驱动方式505.3各关节传动方式与驱动原件选择 515.3.1各关节驱动方式选择 515.3.2各关节驱动原件的选择 525.4交流伺服电机控制原理 55第六章结论56-VII -东北大学硕士学位论文目录参考文献57致谢60-# -东北大学硕士学位论文第 1章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景与意义随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造 业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。有关专家研究表明，国外发达国家已广泛应用机器人自动化生产线，并已形成一个 巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。我国有关部门及企业应该做好充分准备，借鉴国外推动产业发展的先进经验。我国机器人产业要快速发展，就不能只靠几个爱好 者的激情和科研单位的单方努力，机器人就不能只作为展览会上的表演者。研制单位必 须和需求紧密结合，让机器人走进工厂和家庭，实现真正的产业化。把发展中国机器人 产业纳入政府重要产业政策中，引导和扶持企业进行产业和产品结构调整，加速机器人 产业化进程。近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比， 还有一定的差距，如可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生 产线系统技术与国外比有差距。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少， 工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。在应用规模上， 我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4%。产生以上差距，有关专家认为主要是我国没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是根据用户的要求，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期 长、成本较高、而且质量、可靠性不稳定。本课题研究的四自由度平面关节型机器人是工业领域中应用较为广泛的机器人之 一。据统计资料介绍，目前，国外已有的各种专用和通用装配机器人中，平面关节型装 配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，平面关节型机器人约占3/4左右。其主要应用领域为电子电器业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业；家用电器及 仪器仪表的组装作业；小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，平面关 节型机器人在轻型、较简单并且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。而且平 面关节型最显著的特点是他们在XY平面上的运动具有较大的柔性，而沿Z轴方向具有很强的刚性，这种选择性的柔性，在装配作业中是很重要的特性，非常适合应用于搬运、焊接和装配等重复性任务，因此在工业生产中得到广泛应用。鉴于平面关节型机器人在工业领域应用中的独特优势，研究平面关节型机器人也就具有相当的代表性。而在众多 的机器人研究中，大多主要侧重于研究机器人的控制系统和运动学分析，在机器人结构 设计与优化方面反而没有引起足够多的重视，正因为如此，在本课题中专门针对四自由 度平面关节型机器的结构做了设计和优化，以及对相关机器人结构的讨论分析，期待对 我国的机器人研究有更大的帮助。1.2国内外机器人发展现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为 先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。目前在国外机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。如下图1.1机器人涂胶和图1.2高压水切割机器人等。 目前，全球现 役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约 80%，现在继续下降，而欧美 劳动力成本上涨了 40%。现役机器人的平均寿命在 10年以上，可能高达15年，它们还 易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量 和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅 度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会及联合国欧洲经济委 员会（UCENE ）统计，2001年机器人安装量为7.8万台套，年增长率 9%。机器人的应 用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在 国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开 发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机 器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。图1.1机器人涂胶Fig 1.1 Robot gelatinizeFig图1.2高压水切割1.2 High pressure water incision据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界 市场将从2002年的68600台套增长到2010年的151100多台套，年平均增长 7.4%。纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛，从销售量上更是充分说明 了这个不争的事实。在中国市场上占有35%市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了 600台机器人。而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。专家预测，我国机器人 2008年拥有量将增至 7600台，至U 2010年拥有量将达到17300 台，到2015年，市场容量将达十几万台(套)。据悉，汽车制造、工程机械及电机、 电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点 焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主1,2。但是，我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较 大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本， 才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食 品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、 蛇形的、无人飞行器以及家用、病人护理、盲人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈 阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识 产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使 我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界 3,4。1.3工业机器人特点及分类1.3.1工业机器人特点机器人(Robot)是1920年由捷克作家卡雷尔查培克在剧本中塑造的一个具有人 的外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“Robota” 一词衍生出来的。我们可以这样说：机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能 的机器；而工业机器人(In dustrial Robot)则是在工业生产上应用的机器人5,6。工业机器人有以下几个最显著的特点：(1) 可编程工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统的一个重要组成部分。(2) 拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多“生物传感器”，传感器的使用 极大提高了工业机器人对环境的自适应能力。(3) 通用性一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，如更换工业机器人的末端执行器便可执行不同的作业任务。1.3.2工业机器人分类根据不同的标准，机器人也相应有不同的种类。工业机器人的机械结构部分可看作 是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和 关节按不同的坐标形式组装，机器人可分为五种：直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器 人、球坐标型机器人、关节型机器人和并联机器人 7,8。（1）直角坐标型机器人直角坐标型机器人是通过 3个互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置，运动是独立的，其前三个关节为移动关节（PPP）。该类操作机易于实现高定位精度，空间轨迹 易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，当具有相同的工作空间时，机体所占空 间体积大。（2）圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人是通过一个转动和两个移动（RPP）来实现手部的空间位置变化。该种操作机结构简单，便于几何计算，其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂 沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。通常用于搬运机器人。（3）球坐标机器人球坐标机器人用两个转动和一个移动（ RRP）来改变手部的空间位置。一般是要关 节可绕Z轴转动，大臂可在Z-X平面内俯仰（转动）。这种机器人的特点是结构紧凑， 所占空间体积小，其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转 关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。（4）关节型机器人关节型工业机器人是模拟人的上肢而构成的。它的前三个转动关节（RRR）,腰关节绕Z轴转动，臂的两个关节绕平行于Y轴的两轴线转动。它利用顺序的三个圆弧运动来改变手的空间位置，其特点是所占体积小，机构紧凑，操作灵活性最好，运动速度 较高，操作范围大，还能绕过其基座周围的一些障碍物，但精度受手臂位姿的影响，实 现高精度运动较困难。这是机器人使用最多的一种操作机。PUMA、CINCINNATI T3、MTOMAN、ABB、KUKA等名牌机器人都是采用这种型式的操作机。（5）并联机器人该机器人采用六自由度的 Stewart平台机构作为机器人机构。根据这种机构的特点， 人们把它称为并联机构。并联机构从结构上是用6根支杆将上下两平台联接，这样上下 平台就可进行6个独立运动，即有6个自由度，在三维空间可以沿任意方向的移动和绕 任何方向的轴线转动。由于机械手、操作机、机器人有许多共同点，它们在技术上是相通的，有时很难严 格区分。同时，机器人技术目前正处于迅速发展阶段，关于机器人的一些概念、定义， 仍在不断充实、演变之中，存在着不同的认识和见解。从文献中可以找到各种各样关于“机器人”的定义。1984年，国际标准化组织（ISO）采纳了美国机器人协会（RIA） 给“机器人”下的定义，即“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零 件、工具的操作机。”或者“是一种带有执行不同的工作任务的手臂，且可改编程序动 作来完成各种作业的特殊机械装置。”关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控 制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机 器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服 务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在 特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、 军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的 工业机器人和非制造环境下的服务机器人。随着工业化的实现，信息化的到来，我们开 始进入知识经济的新时代。创新是这个时代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改 变着我们的今天，并将改造我们的明天。 新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、 不同技术的交叉、渗透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。 机器人技术就是在这样的规律和环境中诞生和发展的9,10。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。机器人的发展史已经证明了这一点。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭;从陆地潜入水下、飞往空间；机器人展示出它们的能力与魅力，同时也表示了它们与人 的友好与合作。1.4工业机器人的构成及应用1.4.1工业机器人构成一个机器人系统，一般由操作机、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设 备组成。（1）操作机（又称执行系统）操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或是进行其他操作的机械装置。通常由以下部分构成： 末端执行器又称手部，是操作机直接执行工作的装置，并可设置夹持器、工具、传感器等，是 工业机器人直接与工作对象接触以完成作业的机构。 手腕是支承和调整末端执行器姿态的部件， 主要用来确定和改变末端执行器的方位和扩 大手臂的动作范围，一般具有 2-3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。有些专用机 器人可以没有手腕而直接将末端执行器安装在手臂的端部。 手臂它由操作机的动力关节和连接杆件等构成，是用于支承和调整手腕和末端执行器位置的部件。手臂有时不止一条，而且每条手臂，也不一定只有一节（如关节型就可能很 多节），所以，它有时还应包括肘和肩的关节，即手臂与手臂间（靠近末端执行器的一 节通常叫小臂，靠近基座的，通常叫大臂），手臂与基座间用关节连接，因而扩大了末端执行器姿态的变化范围和运动范围。 基座有时称为立柱，是工业机器人机构中相对固定并承受相应的力的基础部件。可分固 定式和移动式两类，移动式基座下部安装了移动机构，它可以扩大机器人的活动范围。（2）控制装置它是由人对机器人的启动、停机及示教进行操作的一种装置，它指挥机器人按规定 的要求动作。控制装置包括检测（如传感器）和控制（如计算机）两部分，可用来控制 驱动单元，检测其运动参数是否符合规定要求，并进行反馈控制。这就是闭环控制。如 果没有反馈控制，就是较简单的开环控制。（3）人工智能系统对于智能机器人，还应有人工智能系统。它主要由两部分组成，一部分为感觉系统（硬件），主要靠各类传感器来实现其感觉功能。另一部分为决策一一规划智能系统（软 件）,它包括逻辑判断、模式识别、大容量数据库和规划操作程序等功能。在实际使用的机器人中，不一定要具备上面所提到的功能中的全部装置。但一般工 业生产中实用的机器人，至少应具有操作机、驱动单元和控制装置中的大部分内容。具 有人工智能系统的较为完善的智能机器人，目前尚处于实验研究阶段11-15。1.4.2工业机器人技术参数工业机器人的主要技术参数一般都应有：自由度、重复定位精度、工作范围、最大 工作速度、承载能力等。（1）自由度机械手的运动可分整体运动、本体运动、臂部运动、腕部运动，每个运动坐标称为 自由度。一个机械手有几个运动就叫做有几个自由度，手爪的抓取动作（指的是手爪的夹紧 和松开），不计在自由度数目内。图1.3机器人的自由度Fig 1.3 Liberty degree of the robot（2）重复定位精度工业机器人精度是指定位精度和重复定位精度。定位精度是指机器人是手部实际到达位置与目标位置之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准偏差这个统计量来表示，它是衡量一列误差值的密度值，即重复 值。（3）工作范围工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能到达的所有点的集合，也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所 以是指不安装末端操作器时的工作区域。（4）最大工作速度-9 -