六自由度机器人本体设计及轨迹规划与虚拟仿真.docx
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摘要
机器人在现代工业生产制造领域的应用越来越普遍。
机器人技术是当今社会国家高新技术水平的重要体现。
六自由度工业机器人以其较大的工作范围,较高的灵敏度在工业机器人领域具有重要的地位。
随着机器人应用在广度和深度上的发展,迫切需要解决机器人本体基础技术研究。
本文以某型号六自由度工业机器人为原型,设计出一个六自由度工业机器人,对该机器人的传动机构进行了设计,对机器人的各关节的驱动电机进行了计算选型,选取了机器人的各关节减速器,并对小臂结构进行了强度分析。
为方便以后的建模计算,通过D-H方法建立机器人连杆坐标系,得到机器人末端执行器相对于机器人基座的转换矩阵,进而得到机器人运动学正解。
机器人逆运动学采用机器人变换矩阵的逆矩阵进行求解,可知机器人运动学逆解有多组,通过实际工况以及机器人各关节运动范围等对逆解进行筛选。
本文采用拉格朗日方法对机器人进行建模,得出机器人的动力学数学模型。
机器人的轨迹规划方法有多种,本文采用三次B样条曲线对机器人进行轨迹规划。
本文采用matlab对机器人工作空间进行了仿真,得出机器人的工作范围。
运用matlab的机器人工具箱对机器人运动学进行了分析,得出了机器人运动学正解以及逆解。
用机械系统分析软件adams简化建立了机器人参数模型,并对机器人动力学进行了分析,得到了机器人各关节的驱动力矩。
本文运用matlab机器人工具箱对机器人进行了轨迹规划,从结果可以看出机器人各关节随时间的变化曲线。
关键词:
工业机器人;运动学;动力学;轨迹规划;虚拟仿真
ABSTRACT
Inthemodernindustrialmanufacturingfieldindustrialrobotisappliedmoreandmorewidely.Itisanimportantmanifestationofthenationalhigh-techlevelintoday'ssociety.Sixdegreeoffreedomindustrialrobotwithitslargerscopeofwork,highsensitivityplaysanimportantroleinthefieldofindustrialrobots.Incompanywithdevelopmentofrobot’sapplicationinbreadthanddepth,itisurgentneedtoaddressthebasictechnologyresearchoftherobot.
Inthisdissertation,designasixDOFindustrialrobotwithamodelofsixDOFindustrialrobotasprototype.Therobot'stransmissionmechanismhasbeendesigned,thecalculationandselectionofthedrivingmotoraredoneforeachjointofrobot,thereducerofrobotjointsareselected,andanalysisthe strengthofsmallarm structure. Forconvenienceofthecalculationofmodelinglater,establishedtherobotlinkcoordinatesystemthroughtheD-Hmethod.Thetransformationmatrixisgotoftherobotrelativetotherobotbase,andthentheforwardkinematicsoftherobotisgot.Theinversekinematicsoftherobotissolved with inversematrixoftherobot transformationmatrix,theinverseKinematicsof robothasmanycomponents,itisselectedthoughtheactualworkingconditionandtherobotjointsmovementrange.Inthisdissertation,theLagrangemethodisusedmodelingforrobot,thedynamicsmathematicalmodeloftherobotisderived.Thereareavarietyofrobottrajectoryplanningmethod,thethreeBsplinecurvetrajectoryplanningofrobotisusedinthisdissertation.TheMATLABisusedtosimulationtherobotworkingspaceinthisdissertation,theworkingrangeoftherobotisdrawn.TheMATLABroboticstoolboxisusedtoanalysistherobotkinematics,andthentherobotkinematicsandinversesolutionaredrawn.Therobotparametersmodelis simplifiedestablishedthoughtheanalysissoftwareofmechanicalsystemADAMS.Andthedynamicsoftherobotisanalyzed,thedrivingtorqueofeachjointofrobotisgot.ThetrajectoryofrobotisplannedwiththeMATLABroboticstoolboxinthisdissertation,therobotjointsvariationcurveoftimecanbeseenfromtheresults.
KEYWORDS:
IndustrialrobotsKinematicsDynamicsTrajectoryplanningVirtualsimulation
目录
第一章绪论 1
1.1工业机器人的概述 1
1.2国内外工业机器人技术的研究现状 2
1.3本文的研究意义 4
1.4本文主要研究内容 4
第二章六自由度工业机器人的结构设计 6
2.1本设计的研究内容 6
2.2机器人的设计方案与分析 6
2.2.1底座的设计与计算 8
2.2.2腰部的设计与计算 9
2.2.3大臂的设计与计算 11
2.2.4小臂的设计与计算 12
2.2.5手腕的设计与计算 14
2.2.6手部的设计与计算 16
2.3机器人各关节部件减速器的选型 18
2.4机器人小臂的应力分析图形 18
2.5总结 21
第三章六自由度工业机器人的运动学分析 22
3.1工业机器人运动学分析的意义 22
3.2机器人正运动学分析方法 22
3.3工业机器人的逆运动学分析 27
3.4本章小结 31
第四章机器人动力学分析及轨迹规划 32
4.1机器人动力学分析的意义 32
4.2机器人动力学分析方法 32
4.3机器人轨迹规划的意义 36
4.4机器人关节空间轨迹规划 37
4.5本章小结 41
第五章机器人运动学动力学以及轨迹规划的仿真 42
5.1机器人运动学仿真 42
5.2机器人工作空间仿真分析 45
5.3机器人动力学仿真分析 47
5.4机器人轨迹规划仿真 50
5.5本章小结 52
第六章总结与展望 53
6.1总结 53
6.2工作展望 54
参考文献 55
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况 58
插图清单
图2.1机器人结构类型图 7
图2.2底座剖视图 9
图2.3底座传动系统装配图 9
图2.4腰部结构图 10
图2.5腰部齿轮装配图 11
图2.6机器人大臂结构装配图 11
图2.7大臂传动系统图 12
图2.8小臂装配图 13
图2.9小臂结构装配图 13
图2.10小臂齿轮装配图 14
图2.11手腕结构 15
图2.12手腕部分装配图 15
图2.13手腕部分装配剖视图 16
图2.14手部结构 16
图2.15手部传动系统图 17
图2.16小臂有限元网格 19
图2.17小臂结构应变云图 20
图2.18工业机器人小臂的应力云图 20
图3.1机器人关节坐标建立方式 22
图3.2六自由度机器人的坐标系 24
图5.1 MATLAB中机器人模型 43
图5.2 MATLAB中机器人操作界面 44
图5.3六自由度机器人工作空间三维图 45
图5.4六自由度机器人x-y平面工作空间图 46
图5.5六自由度机器人x-z平面的工作空间 46
图5.6六自由度机器人y-z平面的工作空间 46
图5.7 ADAMS中机器人模型图 47
图5.8机器人末端执行器的位移曲线 48
图5.9关节1 48
图5.10关节2 48
图5.11关节3 48
图5.12关节4 48
图5.13关节5 48
图5.14关节6 48
图5.15六自由度工业机器人各关节角度规划曲线 50
表格清单
表2.1小臂有限元分析结果 19
表3.1六自由度机器人的D-H参数表 23
VII
第一章绪论
第一章绪论
1.1工业机器人的概述
工业机器人简而言之就是应用在工业领域的多自由度并能够进行编程操作的自动化操作器,机器人在工业生产中能大大解放劳动力,将人们从一些重复繁琐的工作中解放出来。
机器人技术蕴含了各学科的技术知识,其中包含机械设计制造、系统控制工程、微机电技术以及计算机技术等学科范畴,代表了一个国家的机电化程度的最高水平,是一国的高新技术水平的重要体现。
随着第一次工业技术革命的发展,一些自动化机械相继诞生,机器人的发明制造由理论转化为现实,20世纪50年代末期世界上第一台机器人原型诞生于美国,并随后生产出了世界上第一台工业机器人,拉开了机器人发展的序幕。
工业机器人系统主要由四个部分组成,控制器系统、执行器系统、末端执行器以及动力系统[1]。
机器人在20世纪60年代步入了飞速发展阶段,开始逐步应用到工业制造领域各行业。
上世纪70年代机器人基本上进入了实用化阶段,伴随着人工智能技术进入机器人领域,促进了机器人技术更加智能化、人性化。
20世纪末,工业机器人进入到飞速发展阶段,普遍应用于汽车装配等领域。
随着工业机器人技术的飞速发展,工业机器人在汽车设计加工制造等领域的应用范围越来越广,工业机器人技术的发展将极大的解放劳动力,促进生产力的飞速发展。
中国的自动化技术发展较晚,我国的机器人技术研究起始于上个世纪70年代,其发展轨迹可分为3个阶段:
20世纪70年代在国内的萌芽出现、20世纪80年代机器人技术进入了快速的发展阶段,上个世纪末我国的机器人技术进入到了工业实用化阶段。
由于当时种种因素的制约,我国的机器人技术发展比较缓慢,工业机器人技术的研究水平相对较低,在各行业的使用率较少。
1985年,随着各个工业发达国家开始大量的将工业机器人投入使用到工业各个领域进而促进了生产力的飞速发展,20世纪80年代末期我国的机器人开始被高度重视并步入了快速发展阶段,并形成了我国自动化技术的首个发展高潮。
截止到2009,我国市场上运行的机器人为3.68万台,仅为日本的10.8%和德国的25.2%。
到目前为止,中国已经能够生产出具有国际先进水平的一些类型的工业机器人,例如工业电焊机器人,弧焊机器人以及搬运码垛机器人等一系列产品,并且使其中的一些机器人品种实现了小批量生产。
在智能机器人的研究领域,中国国内的一些大学和研究所都取得了一定的成就,但是其综合实力仍然远不及各机器人发达国家。
随着科学技术的发展,我国制造业随之飞速发展,劳动力的价格随之提升,中国对自动化设备的需求量也随之加大,机器人的需求也随之增加。
但是,目前中国使用的自动化设备绝大多数都依赖于进口,我国自主生产的工业机器人现在还没有进行大规模的生产使用。
目前我国国内新增的工业机器人中超过70%都是从国外进口的。
因此,发展机器人技术对于我国这样一个发展中国家具有重要的意义,是我国经济转型的基础。
现阶段,基于科学技术的进步,在信息技术、微机技术、微机电技术以及智能制造技术等高新科学技术不断发展的推动下,机器人的应用范围越来越广,并逐步从起始的工业领域逐步向一些极限环境、微观技术方向发展,机器人在各方面的应用范围更加广阔[2-4]。
从机器人的发展历程以及当今社会环境分析,将人工智能技术应用到机器人领域是该项技术未来的主要发展方向,以求提高其工作性能,增加机器人应用范围,扩大机器人的工作能力和应用领域。
现阶段,由于机器人技术对各国综合实力的提升世界各国对机器人技术的发展愈来愈重视。
机器人技术是新世纪世界各国发展的重要的高新技术之一[5]。
1.2国内外工业机器人技术的研究现状
如果要达到对工业机器人的轨迹进行控制的目的,首先就要知道工业机器人在工作空间中的位置和姿态,即工业机器人末端点在工作空间的位置和姿态。
所谓工业机器人的运动学分析,即求解该机器人的驱动部件与执行部件之间的位置、速度以及加速度之间的关系,进而求解该工业机器人在工作空间中的末端执行器的位置和姿态。
工业机器人是一个开环结构,机器人结构是通过改变机器人各部件的关节变量来改变机器人末端点在空间的位姿。
求解机器人运动学问题的基础方法是D-H方法,该方法是通过求解机器人各连杆以及连杆之间的参数来建立机器人参数模型进而求解机器人运动学。
工业机器人运动学问题主要包含正运动学求解以及逆运动学求解。
工业机器人逆解问题相对来说是更加重要的问题,因为求解机器人逆解的存在性以及运算的快速性对机器人的控制的精准性具有重要影响,因此机器人逆解的求解是国内外学者的研究重点并发明了诸多研究方法。
现阶段求解机器人逆运动学方法主要分为三种,分别为解析法[6,7]、数值法[8]、几何法[9]以及其他一些算法等。
机器人运动学等的研究主要为机器人轨迹规划打下基础,机器人轨迹规划对其在运动过程中的能耗、可靠性以及平稳性具有重要意义,所以研究轨迹规划的学者较多,产生了一些比较普遍适用的轨迹规划方法。
随着高新科技微机技术的飞速发展,国内外学者发明了许多新的轨迹规划算法。
工业机器人的轨迹规划是指根据在实际工作过程中根据工作目标需求,计算出机器人的一些运动参数并根据规划方法来得到机器人在目标点之间的运动轨迹。
在关节空间中的轨迹规划是要求解出机器人的运动变量相对于时间的变化量,对于不同的关节,变化量也不相同,移动关节主要是位移的变化量,旋转关节主要是转角的变化量。
在笛卡尔坐标空间中进行轨迹规划就是根据任务所给的几个路径点进而求出机器人末端位置点的运动参数诸如速度、加速度等,而各关节的变量由逆解求出[10]。
两种坐标系对机器人进行规划的结果必须满足机器人运动的轨迹曲线是连续及光滑的,即保证机器人运行的平稳性。
在关节空间中对机器人进行轨迹规划的方法有多种主要有n次多项式函数插补方法以及B样条函数插补方法等进行轨迹的生成。
一些学者将三次多项式插值函数应用到四自由度机器人的轨迹规划中并成功解决了问题[11]。
一些研究者通过高阶多项式插值来连接机器人路径重要关键点的方法成功规划出了平滑的机器人运动轨迹[12]。
国外学者Bazaz通过对前人方法总结,利用没有速度突变的光滑曲线连接路径点的方法规划出了机器人运动轨迹[13]。
通过对机器人轨迹规划算法的改进,有的学者发明了一种方法,该方法解决了机器人在初始和结束时机器人加速度突变问题,让其在实际工作中更加稳定可靠[14,15]。
在工业机器人实际工作过程中主要通过机器人系统能量以及运行时间两种标准进行衡量机器人轨迹规划方法的优劣。
一些研究者将遗传算法应用到轨迹规划并以时间最优为标准对机器人的轨迹进行了规划[16]。
现阶段机器人轨迹规划算法发展较快出现了多种新颖的算法各有优劣,轨迹规划算法的研究热点为遗传算法以及人工神经网络等方法。
国外一些研究者以系统能量最优为标准通过将B样条和变分方法引入到轨迹规划中求解了冗余机器人轨迹的规划问题[17]。
一些研究者通过使用遗传算法等方法并以机器人传动的最小力矩为优化标准规划出了机器人的运动轨迹[18]。
机器人轨迹生成的方法有多种主要是机器人多项式插值函数构造法以及对该方法进行改进后的轨迹生成方法。
现阶段轨迹生成方法优劣的标准研究热点主要为以时间最优为标准。
机械系统动力学即分析系统在运动过程中各运动参数与各部件受力之间的关系。
工业机器人是一个结构非常复杂的非线性系统,其动力学具有耦合性、时变性等特点并随着自由度的增加研究变得更加复杂。
系统动力学正问题以及动力学逆问题是该方面研究的两大问题。
机器人动力学正问题即根据机器人各部件所受的力来求解各部件变量的转角、角速度以及角加速度等运动参数。
动力学逆问题是已知机器人各关节变量的运动学变量随时间的变化量来求解所需要的驱动力或驱动力矩的问题,机器人动力学逆解是进行机器人控制的基础。
现阶段,机器人动力学研究方法主要是利用机器人运动部件的变量对时间的一阶和二阶导数而推导出的部件所受力的牛顿-欧拉方法,或运用系统能量方程来求解机器人动力学的拉格朗日方法。
一些学者运用牛顿-欧拉方法应用到机器人动力学求解中并成功求解出6自由度机器人动力学方程[19,20]。
一些研究者将数学方法应用到机器人动力学研究中使得得到机器人动力学参数模型具有一些几何特征,成功的降低了运算的复杂性[21]。
国内外一些学者运用凯恩法求解机器人动力学并建立了动力学参数模型[22,23]。
Kane方法适用范围较广,求解简便,其弱点是偏速度概念的物理意义含糊,通用性较差。
有些研究学者应用旋量对数方法建立了动力学参数模型,进行了机器人动力学分析[24,25]。
随着科技的发展,国内外产生了许多对机器人动力学研究的方法,比较新颖的方法有高斯法,神经网络法等方法。
其中牛顿-欧拉方法与拉氏方法为研究分析机器人动力学的基础方法,现阶段不断出现的新颖算法均是以它们为基础改进发展的。
1.3本文的研究意义
机器人的轨迹就是机器人在实际工作过程中根据任务需求机器人末端点所走过的路径即机器人末端点运动参数随时间的变化量。
规划的实质是一种问题的求解方法,即从某个特定的问题出发,根据已知的约束及条件构造出一系列的解决问题的方法方案,以达到解决问题的最终目的。
机器人的轨迹规划是指在满足运动过程中系统所需要满足的约束条件下,对机器人末端点所走路径进行规划使其运行更加平稳可靠。
机器人轨迹规划是其运动路径合理性的重要保障,是提高其运动效率以及精度的重要方法之一。
轨迹规划的任务是依据工作任务要求,推演出预期的机器人运动轨迹,即对机器人的运动路径和轨迹实现描述,计算出机器人末端执行器的关节变量随时间的变化量。
虚拟技术是指利用微机等高新科技生成一个模拟环境,虚拟现实技术可以让使用者对一些复杂的数据进行可视化操作以及进行相互交流。
该技术是利用计算机的虚拟模拟将现实中的各种环境影响因素复制到微机中,可达到良好的虚拟仿真效果。
为了研究设计以及改善机器人性能,需要对机器人的各项功能通过实验进行验证。
机器人知识是各学科的知识的综合,机器人系统是一个复杂的多学科综合系统,在各个因素的影响下若要对机器人进行分析是非常复杂的,这就体现了虚拟仿真的重要性,我们可以通过对虚拟的仿真模型控制,达到对其研究的目的。
采用传统的工业机器人设计方法对机器人进行的设计,由于不能对设计进行迅速有效的实验验证,造成了资源以及人力的浪费,使用虚拟仿真技术可以节约成本,缩短机器人试验研发周期等给研究工作带来诸多益处。
1.4本文主要研究内容
本课题采用机械设计、三维建模、理论力学、工业机器人技术等专业知识,借助专业的计算机软件平台在虚拟环境下对六自由度机器人进行虚拟设计建模,分析了该六自由度机器人的运动学及动力学,并在此基础上根据任务要求规划了机器人的运动轨迹。
采用仿真分析软件对机器人进行本体运动技术仿真实验,验证所设计机器人各项技术的合理性。
本论文主要内容如下:
第一章,简单介绍工业机器人的产生以及发展概况和趋势,论述了工业机器人本体各项技术的国内外的研发现状以及趋势。
第二章,以某型号六自由度串联工业机器人为基础,设计了一个六自由度工业机器人,对机器人各关节电机进行了设计计算。
并在solidworks中对所设计的机器人进行了建模。
并运用有限元仿真分析软件workbench对机器人主要零部件进行了仿真分析,确保结构材料选择的合理性以及保证所设计机器人的结构可靠性。
第三章,对已设计好的机器人模型进行参数建模,利用运动学求解方法D-H方法建立机器人各连杆的坐标系建立参数模型,进而推算出机器人的末端点位姿,并进而求出机器人的工作空间。
根据所建立的参数模型进行运动学求解。
第四章,根据已建立好的机器人参数模型,进行机器人动力学模型的建立,并进行动力学分析,采用B样条方法对机器人运动轨迹进行规划。
第五章,使用adams等仿真软件进行机器人各项运动参数仿真,验证所建立参数模型的正确性。
55
第二章六自由度机器人的虚拟设计
第二章六自由度工业机器人的结构设计
2.1本设计的研究内容
本文设计的工业机器人为一类六自由度的关节型机器人,是现阶段在工业领域应用最为普遍的串联型机器人,该类型机器人具有结构简单、成本低、控制简单以及运动空间范围大等优点,本设计对六自由度工业机器人的典型设计方案进行了介绍,完成了六自由度机器人的主要本体结构类型介绍、各种驱动装置的布置方案分析、传动结构类型设计等,最终完成对所设计机器人主要零部件几何建模,并分析验证了机器人的主要零部件的强度,确保设计的合理性。
2.2机器人的设计方案与分析
本文以某型号六自由度机器人为原型进行设计了一款工业机器人。
本文设计的机器人为六自由度的串联形式的工业机器人,因此选用关节坐标型机器人,该类机器人特点是工作空间较广,机械结构灵便,应用范围广,并能绕过机身和工作主机之间的障碍物去抓取对象。
机器人各主要零部件的驱动装置主要采用电机驱动,主要使用步进和伺服两种电机进行驱动。
机器人的机械本体由六个关节组成,分别为底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部等组成。
机器人的执行器安装在手部位置,通过安装不同的工具来完成不同的任务需求。
它们分别由六个电机进行驱动,分别完成腰部的回转,大臂的俯仰,小臂的俯仰,手腕的回转,手腕的俯仰和手部的回转。
机器人的额定负载为6Kg。
负载的主要类型为承载恒定负载,也可为变动负载。
机器人主要结构部件的技术参数包括以
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