六自由度机器人运动分析及优化.doc

本 科 毕 业 论 文（设 计）题目（中文） 六自由度机器人运动分析及优化 （英文） Motionanalysis and optimization of6-DOF robot 学 院 信息与机电工程学院 院 年级专业 2013级汽车服务工程（中德） ） 学生姓名 吴子璇 正 学 号 130154494 7 指导教师 安康 安 完 成 日 期 2017 年 3 月摘要 当今世界，工业化日趋成熟，机器人被广泛的应用于各行各业，最常用到的有四自由度，六自由度机器人。其中，自动化水平较高的汽车制造业和电子装配业经常常常要使用到六自由度机器人。因此对其实施运动学分析，是进行科学设计的基础，也是降低机器人生产成本，优化机器人运动轨迹的前提。此外，运动分析过程有效的模拟了机器人运动的真实情况，有助于提供有效可行的优化方案。 本文主要探讨六自由度机器人的运动分析，基于经典运动学以及动力学的研究方法概念，首先通过solidworks做出机械臂各部分零件的三维图，然后通过SolidWorks装配出六自由度机器人机械臂的三维模型。 通过该模型，选取其中一个关节和底座，并用SolidWorks进行运动学分析，对六自由度机器人的运动学和动力学计算方法进行了仿真验证。 最后得到六自由度机器人的其中一个自由度的运动仿真实例。通过对该运动仿真实例的分析，得出最佳优化方案，优化机器人的运动轨迹提高机器人的工作效率，降低机器人生产成本。 关键词：六自由度机器人；运动分析；运动学；动力学；目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1 课题背景及研究的目的和意义1 1.2机器人国内外发展现状及前景展望-12 六自由度机器人运动学分析1 2.1六自由度机器人的结构-12.2运动学分析-13 六自由度机器人动力学分析33.1综述-33.2机器人动力学研究方法-3 3.2.1几项假设-3 3.2.2目标-4 3.2.3数学工具-53.3动力学原理-3 3.3.1动量矩定理-6 3.3.2能量守恒定理-6 3.3.3牛顿欧拉方程-7 3.3.4达朗贝尔原理-8 3.3.5拉格朗日方程-94 六自由度机器人运动分析3 4.1运动分析的软件背景-3 4.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型-9 4.3运用Solidworks对进行运动学分析-45 结论4参考文献51 绪论 1.1 课题背景及研究的目的和意义 新世纪以来，在越来越多的对于自动化，机械化要求较高的领域都需要用到机器人。其中，又以四自由度和六自由度机器人的用途最为广泛。机器人的研究发展涉及多个学科领域，是带动社会生产力发展的强大推动力。综合看来，机器人的时代很快就要来临，机器人革命很有可能成为第三次工业革命。机器人产业呈现爆炸式增长，该产业被大量投入到汽车制造和电子装配等产业。通过国际机器人协会提供的数据估计来看，截止到2020年，全球用于工业生产的机器人产量很有可能高达150万。中国的现代化进展迅猛，在中国发展的大力推动下，中国乃至亚洲即将成为一个极具发展活力的庞大的机器人市场。动力学是在机器人的设计过程中必不可少的一个重要考虑因素，本文通过SolidWorks对机械臂进行三维建模，进而通过SolidWorks Motion做运动学仿真，据此来分析机器人运动过程的动态特性，这是后续的运动控制、及优化设计有效的数据支撑，能够有效规避产品研发周期过长的情况。1.2机器人国内外发展现状及前景我国在机器人方面的探究工作起步较晚于日本及欧美国家，我国的机器人研究起步于1980年前后。由于机器人科技的研究与发展具有重大战略意义，因此从那时起，我国就将机器人的研究应用作为重要研究对象。经过数十年的不懈努力，我国已有多所高校和研究院都能够独立对机器人进行研究和研发。高校和研究院由于掌握着丰富的教育科技资源，是非常好的机器人研发平台。由于缺乏经验和技术支持，早期的机器人研究项目很大一部分依赖于借鉴国际上先进的机器人研究技术，到现在为止，我国在机器人上的研究已经颇有建树。较为值得一提的研究成果如下：无缆深潜机器人,遥控移动作业机器人,2000年国防科技大学研制的两足类人机器人,北京航空航天大学开发出的三指灵巧手等。然而，尽管近年来机器人产业发展势若破竹，我国的机器人行业存在着自主研发能力孱弱，政府补贴不够完善，由于盲目投资导致的低端产能过剩的情况。虽然存在这些不足，我国的机器人市场还是很具发展潜力的。另一方面，我国机器人行业的爆发式增长也是时代发展的需求。在发展中国家中，我国是最具活力潜力的大国经济体，尽管我国经济正处于高速增长时期，但是我国和日本一样正迈入一个老龄化社会，劳动力正日益减少，因此我国迫切需要加大对机器人的研究力度。我国机器人行业有以下几个显著特征：第一，机器人技术对于我国由制造大国向制造强国转变尤为重要，政府应该加大对国内机器人在政策与经济上的扶持力度，积极借鉴海外优秀经验，全力扩大创新与技术投入。第二，国家的科技发展总方针中，鼓励创新型的机器人项目，调动创造积极性。应大力支持机器人研发与机器人应用，以此协调产品的生产及自动化。第三，一些国内制造的机器人其技术水平已经能够和国外分庭抗礼，企业采购时应综合考虑，不能盲目买国外的机器人。现在，我国各行各业对“用机器人代替人工作”的呼声越来越高。我相信，只要国家高度重视机器人业的发展，改变机器人生产的基本架构，将重心放在机器人技术的自主研发上，充分利用高校，研究院，企业等前端研究平台，加快机器人产业创新建设，一定可以破解机器人行业共性的难题，作为代表时代科学技术发展最前端的机器人发展前景甚是喜人。到目前为止，我国已经拥有超过4000台成熟的机器人，这些机器人主要被用于一些科学技术发达的地区，国际范围内的机器人大概有83万，往往是位于欧美，日本等发达国家。在对其研发方面，我国目前到达的技术水平尚不能与发达国家的技术水平持平。美国是世界上首个成功研究出机器人的国家。美国能够跻身机器人强国之列并非浪得虚名。美国在机器人方面不仅起步早，而且其原有技术研发，创新实力雄厚，各方面技术水平在全世界都堪称第一。日本对工业机器人的研发比美国稍晚约五年左右，但是日本本国的工业机器人产业发展势头强劲，很快就跻身世界机器人强国之列，从一个机器人弱国摇身变为“工业机器人王国”。日本的工业机器人各个方面如生产、出口和使用上的发展在世界上都遥遥领先。不仅如此，日本的工业机器人保有量长期以来远远高于其它国家。相比之下，欧美各国的机器人保有量虽然增长趋势较为缓慢但一直亦呈现上升趋势，近年来才慢慢开始有了较大的增长。德国是除日本和美国之外的第三大工业机器人强国，其掌握着对智能机器人的研究和应用最核心也最为先进的技术。最常见的机器人有六自由度以及四自由度机器人。按照ISO对其的定义：工业机器人是一种有着较多功用的、能够反复编程的自动控制操作机(Manipulator)，有着超过3个以上编程的轴，使用于工业自动化行业中。为实现相应的功能，机器人最后一个轴的接口，往往为一个连接法兰，能够装置不同的器械。对机器人的定义是:“一种自动定位控制、能够反复进行编程的、多功用以及多自由度的机器。可以通过一定的设计去完成各种作业。”而目前六自由度机器人被广泛地用于各行各业，且随着社会的进步和发展，日新月异下对六自由度机器人提出更多的新的需求和要求。因此，对六自由度机器人的运动进行研究具有非常重要的意义。2 机器人运动学分析2.1六自由度机器人的结构相对于四自由度机器人，六自由度机器人具有六个自由度。六自由度机器人的机械臂具有底座，转台，大臂、肩部、小臂、手腕、末端执行器七个部分。六自由度机器人的六个自由度为：转台回转、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回转、手腕俯仰以及手腕回转。详见图1.1。图1.1机械臂的六个关节的运动是有一定的局限的，如图1.2图1.22.2运动学分析 机器人运动学研究主要包括两个方面的问题，一个方面是正运动学问题，另一个方面是逆运动学的问题。正运动学问题中，我们把关节变量当做是已知变量，通过正运动学方程来确定机器人机械臂的位姿。然后通过逆运动学方程，计算求得每一关节变量的值。使用逆运动学设法找到运动方程的逆，该方程中没有己知变量，所以不能使用将已知量代入正向运动学方程求解的方法。逆运动学通过求得的运动方程的逆，进一步求得我们要算的那个关节变量，这样机器人才能处于我们想要得到的位姿。 实践表明，逆运动学分析比正运动学分析更加重要，机器人内部有控制器，控制器计算关节值时需要用到这些方程，并以此来运行机器人，这样机器人就能到达期望的位姿。六自由度机器人的位置逆解问题是机器人领域的一个难题也是非常热门的一个问题。逆解方程中得到的输出方程在理论研究方面意义重大。实际应用方面，逆解方程也是机器人轨迹规划和运动分析的基本条件。 3 六自由度机器人动力学分析3.1综述若要对其进行运动状态的分析，就需要一个媒介来清楚地表示机器人的运动轨迹。三维空间物体的运动轨迹怎样才能直观地表示出来呢，三维空间的点线面应该用什么媒介才能表达清楚呢，答案是矩阵。空间坐标系能够使用这个坐标系相对参考坐标系的三个方向向量以及一个位置向量进行表示。在空间坐标系也就是所谓的笛卡尔坐标系中，刚体的所处位置能够使用三个方向向量以及一个位置向量的空间坐标系来表示。3.2机器人动力学研究方法：3.2.1几项假设1、机器人的所有零部件都被视作刚体，不考虑其弹性形变。2、间隙等因数不在考虑范围内。3、机器人驱动系统不属于考虑因素。3.2.2目标通过对六自由度机器人的结构特点、以动力学原理为指导理论，由此快速建立运动学方程。 3.2.3数学工具矢量方法、惯性矩阵及矩阵方法等。 3.3力学原理力学原理分为：动量矩定理、能量守恒定理、牛顿欧拉方程、达朗贝尔原理、拉格朗日方程、哈密尔顿原理、凯恩方程等。3.3.1动量矩定理积分形式的动能定理假定参考系为质点系，质点的质量记为mi，该质点受到的外力求和记为和内力求和记为共同施加的力的作用，记加速度为，做曲线运动在某点瞬时的速度为式中dAi（e）和dAi（i）分别为质点i上外力和内力的元功。T2-T1=dAi（e）+dAi（t）（1）式中T1，为质点系的做工初始动能；T2为质点系做功终了动能。式（1）是质点系的动能定理的积分形式，该式的含义是:质点系总动能的变化量等于它所受内外力做功总和。质点系动能定理的微分形式：将式（1）两边除以dt，得：（2）式中为外力的功率；为内力的功率。式（2）是质点系的动能定理的微分形式，它表明；质点系的总动能单位时间内的变化等于质点系所受外力合理单位时间内做功和。根据质点的定义，质点也属于质点系的一种，对质点分析时，该定理同样适用。有趣的是，质点和刚体，内力所做功的总和始终为零，质点的定义决定其不受内力作用，而刚体始终受一对等价力的作用，因此，他们内力所做的功始终为零。3.3.2能量守恒定理能量守恒定律也就是热力学第一定律，是指在一个不与外界发生任何形式能量的交换的系统也即是我们常说的密闭系统中，系统总能量是一个定值。其中总能量不仅仅指狭义的将动能与势能相加，这个时候不能忽略静止能量，三者相加才是总能量。3.3.3牛顿欧拉方程在理想状态下，即满足我们假设条件的情况下，我们必须加速或减速运动杆件，其所需要的力或力矩是所需加速度和杆件质量分布的函数；牛顿方程和用于转动情况的欧拉方程一起，描述了机器人驱动力矩、负载力（力矩）、惯量和加速度之间的关系。3.3.4达朗贝尔原理其定义为：对任何一个物理系统来说，其中的惯性力以及外界提供的力，通过符合约束条件的虚位移，最后的虚功的总和为零。受约束非自由质点所受的力包括主动力F以及约束力FN，若是加上惯性力，则有着以下公式： （1）也就是在质点运动的任何一个时刻，主动力、约束力以及惯性力三者间组成了平衡力系。上式即为具体的表述。对质点上都赋予虚构惯性力，那么每个质点均位于平衡状态，即：Fi+FNi+FIi=0（i=1,2,n） （2）达朗贝尔一开始建立的公式和式（1）有所差异。将主动力F划分成两块内容：F(1)让质点获得加速度，即，叫做有效力；为克服约束力。达朗贝尔原理和质点静止时的平衡方程在公式方面是一致的。若是把之前的F(1)、F(2)的表达式进行代入的话，就能够获得：和式（1）一样，都和牛顿第二定律相同。1 达朗贝尔原理公式如下3.3.5拉格朗日方程拉格朗日方程：在完整系统的大环境下，动力方程可以由广义坐标表示。我们常说的拉格朗日方程区别于第一类，叫做第二类拉格朗日方程。通常可写成：式中T为系统中用各广义坐标qj和各广义速度qj所表示的动能；Qj为对应于qj的广义力;N(=3n-k)为这个完整系统的自由度；n为系统的质点数；k为完整约束方程个数。4 六自由度机器人运动学分析4.1运动学分析的软件背景是目前使用十分普遍的一种绘图软件，是一款与ADAMS有异曲同工之妙的动力学仿真应用软件，它属于SolidWorks的一个插件。为虚拟原型机仿真工具，对机械臂可以完成运动学以及动力学仿真，能够准确而直观地速度，角速度，加速度，角加速度，位移等运动参数。并且输出结果可以用多种形式表示比如记录一段动画或者生成一张图表等。此外，在载荷复杂的运动情况下，SolidWorks不能独立完成对装配体的分析，我们可以将装配体的复杂载荷输入其他可以进行运动学分析的软件如Adina,ADAMS等，由此得到装配体刚度强度更加直观的资料。支持同轴心配合、螺旋配合、平行配合、水平配合等各种配合模式。能够根据速度、位移、角度等去定义出较为简单的运动，也可以通过各种样条曲线来完成对复杂运动的界定。Solidworks Motion可以用来模拟给装配体施加各种外力的情况，如力矩，谐波等，也可以用来模拟装配体受到各种复杂外力的情况。所以一些繁琐的系统的运动仿真就能够利用进行构建。本篇论文首先采用做出机械臂三维模型，然后节取机械臂的一个关节与底座，运用 Solid Works Motion进行机械臂的运动学和动力学仿真。4.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型 首先用SolidWorks制作出机械臂各零部件的三维模型。将所有模型通过同轴心，面面重合等配合方式完成装配。4.3运用Solidworks对进行运动学分析首先启动SolidWorks，新建装配体。将做好的机械臂图纸中的底座和关节导入，如图。设置底座的初始位置。这样就可以形成一个仿真环境。设置仿真的基本参数，如角速度，角加速度，速度，帧数，力和时间的单位等。将底座和关节通过同心轴和重合完成装配。选择运动算例。选择添加马达，马达类型选择旋转马达，并将马达添加在底座凸台的下表面。SolidWorks中的马达，不仅可以实现对装配体单位时间内运动情况的把控，还可以通过修改马达相关参数，进一步修改装配体的时间参数如位移，角速度，加速度，速度等。 零部件/方向 选择底座曲面面，方向为顺时针方向，旋转角度为360度。要相对此项移动的零部件选择关节凸台的上表面。勾选完成并点击播放键。 在运动算例中，我们可以调整帧数时间间隔及帧数，以此匹配我们的装配精度，利用SolidWorks motion的马达选项使关节旋转。结论 本文主要对垂直关节型六自由度机器人的运动进行分析，。本文的主要工作包括以下几个方面：（1） 对机器人现状及发展进行背景调查，得出对机器人运动分析的意义所在。（2） 探究六自由度机器人与四自由度工业机器人的概念甄别，并得出六自由度机器人结构特征。（3） 探究运动学原理及公式，并在运动分析时应用。（4） 运用SolidWorks建模并作图，为运动学分析提供直观依据。（5） 根据运动分析的结果，对六自由度机器人的运动进行优化并提出优化方案。参考文献 1 山东大学机械工程学院机电研究所第八讲机器人动力学M2周会成, 正军. 六自由度机器人设计及动力学分析J. 机器人, 2014, 42(9): 55-793 周科. 六自由度机器人设计与轨迹规划方法研究D. 哈尔滨:周科, 2013.4 张焕. 六自由度机器人结构设计、运动学分析及仿真D. 西安理工大学:张焕, 2004.