六自由度机器人运动分析及优化

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）Motionanalysisandoptimizationof6-DOFrobot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1301544947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......................................................................................................................IAbstract.................................................................................错误!未定义书签。1绪论..................................................................................................................11.1课题背景及研究的目的和意义............................................................11.2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..........................................................................32.1六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..........................................................................53.1综述----------------------------------------------------33.2机器人动力学研究方法------------------------------------33.2.1几项假设-------------------------------------------33.2.2目标-----------------------------------------------43.2.3数学工具-------------------------------------------53.3动力学原理----------------------------------------------33.3.1动量矩定理---------------------------------------------------------------63.3.2能量守恒定理--------------------------------------63.3.3牛顿—欧拉方程------------------------------------73.3.4达朗贝尔原理--------------------------------------83.3.5拉格朗日方程--------------------------------------94六自由度机器人运动分析..............................................................................84.1运动分析的软件背景---------------------------------------34.2运用solidworks建立六度机器人机械臂三维模型--------------94.3运用Solidworks对进行运动学分析-------------------------45结论.................................................................................................................14参考文献............................................................................................................151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SolidWorksMotion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