六自由機(jī)器人運動分析及優(yōu)化

1、 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）題目（中文） 六自由度機(jī)器人運動分析及優(yōu)化 （英文） Motionanalysis and optimization of6-DOF robot 學(xué) 院 信息與機(jī)電工程學(xué)院 院 年級專業(yè) 2013級汽車服務(wù)工程（中德） ） 學(xué)生姓名 吳子璇 正 學(xué) 號 130154494 7 指導(dǎo)教師 安康 安 完 成 日 期 2017 年 3 月摘要 當(dāng)今世界，工業(yè)化日趨成熟，機(jī)器人被廣泛的應(yīng)用于各行各業(yè)，最常用到的有四自由度，六自由度機(jī)器人。其中，自動化水平較高的汽車制造業(yè)和電子裝配業(yè)經(jīng)常常常要使用到六自由度機(jī)器人。因此對其實施運動學(xué)分析，是進(jìn)行科學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)，也是降低機(jī)

2、器人生產(chǎn)成本，優(yōu)化機(jī)器人運動軌跡的前提。此外，運動分析過程有效的模擬了機(jī)器人運動的真實情況，有助于提供有效可行的優(yōu)化方案。 本文主要探討六自由度機(jī)器人的運動分析，基于經(jīng)典運動學(xué)以及動力學(xué)的研究方法概念，首先通過solidworks做出機(jī)械臂各部分零件的三維圖，然后通過SolidWorks裝配出六自由度機(jī)器人機(jī)械臂的三維模型。 通過該模型，選取其中一個關(guān)節(jié)和底座，并用SolidWorks進(jìn)行運動學(xué)分析，對六自由度機(jī)器人的運動學(xué)和動力學(xué)計算方法進(jìn)行了仿真驗證。 最后得到六自由度機(jī)器人的其中一個自由度的運動仿真實例。通過對該運動仿真實例的分析，得出最佳優(yōu)化方案，優(yōu)化機(jī)器人的運動軌跡提高機(jī)器人的工作效

3、率，降低機(jī)器人生產(chǎn)成本。關(guān)鍵詞：六自由度機(jī)器人；運動分析；運動學(xué)；動力學(xué)；目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題背景及研究的目的和意義1 1.2機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望-12 六自由度機(jī)器人運動學(xué)分析1 2.1六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)-12.2運動學(xué)分析-13 六自由度機(jī)器人動力學(xué)分析33.1綜述-33.2機(jī)器人動力學(xué)研究方法-3幾項假設(shè)-3 3.2.2目標(biāo)-4 3.2.3數(shù)學(xué)工具-53.3動力學(xué)原理-3 動量矩定理-6 3.3.2能量守恒定理-6 3.3.3牛頓歐拉方程-7 3.3.4達(dá)朗貝爾原理-8 3.3.5拉格朗日方程-94 六自由度機(jī)器人運動分析3 4.1運動分析的

4、軟件背景-3 4.2運用solidworks建立六度機(jī)器人機(jī)械臂三維模型-9 4.3運用Solidworks對進(jìn)行運動學(xué)分析-45 結(jié)論4參考文獻(xiàn)51 緒論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 新世紀(jì)以來，在越來越多的對于自動化，機(jī)械化要求較高的領(lǐng)域都需要用到機(jī)器人。其中，又以四自由度和六自由度機(jī)器人的用途最為廣泛。機(jī)器人的研究發(fā)展涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，是帶動社會生產(chǎn)力發(fā)展的強大推動力。綜合看來，機(jī)器人的時代很快就要來臨，機(jī)器人革命很有可能成為第三次工業(yè)革命。機(jī)器人產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長，該產(chǎn)業(yè)被大量投入到汽車制造和電子裝配等產(chǎn)業(yè)。通過國際機(jī)器人協(xié)會提供的數(shù)據(jù)估計來看，截止到2020年，全球用于工業(yè)生

5、產(chǎn)的機(jī)器人產(chǎn)量很有可能高達(dá)150萬。中國的現(xiàn)代化進(jìn)展迅猛，在中國發(fā)展的大力推動下，中國乃至亞洲即將成為一個極具發(fā)展活力的龐大的機(jī)器人市場。動力學(xué)是在機(jī)器人的設(shè)計過程中必不可少的一個重要考慮因素，本文通過SolidWorks對機(jī)械臂進(jìn)行三維建模，進(jìn)而通過SolidWorks Motion做運動學(xué)仿真，據(jù)此來分析機(jī)器人運動過程的動態(tài)特性，這是后續(xù)的運動控制、及優(yōu)化設(shè)計有效的數(shù)據(jù)支撐，能夠有效規(guī)避產(chǎn)品研發(fā)周期過長的情況。1.2機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及前景我國在機(jī)器人方面的探究工作起步較晚于日本及歐美國家，我國的機(jī)器人研究起步于1980年前后。由于機(jī)器人科技的研究與發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義，因此從那時起，我

6、國就將機(jī)器人的研究應(yīng)用作為重要研究對象。經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，我國已有多所高校和研究院都能夠獨立對機(jī)器人進(jìn)行研究和研發(fā)。高校和研究院由于掌握著豐富的教育科技資源，是非常好的機(jī)器人研發(fā)平臺。由于缺乏經(jīng)驗和技術(shù)支持，早期的機(jī)器人研究項目很大一部分依賴于借鑒國際上先進(jìn)的機(jī)器人研究技術(shù)，到現(xiàn)在為止，我國在機(jī)器人上的研究已經(jīng)頗有建樹。較為值得一提的研究成果如下：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)開發(fā)出的三指靈巧手等。然而，盡管近年來機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢若破竹，我國的機(jī)器人行業(yè)存在著自主研發(fā)能力孱弱，政府補貼不夠完善，由于盲目投資導(dǎo)致的低端產(chǎn)能過剩

7、的情況。雖然存在這些不足，我國的機(jī)器人市場還是很具發(fā)展?jié)摿Φ?。另一方面，我國機(jī)器人行業(yè)的爆發(fā)式增長也是時代發(fā)展的需求。在發(fā)展中國家中，我國是最具活力潛力的大國經(jīng)濟(jì)體，盡管我國經(jīng)濟(jì)正處于高速增長時期，但是我國和日本一樣正邁入一個老齡化社會，勞動力正日益減少，因此我國迫切需要加大對機(jī)器人的研究力度。我國機(jī)器人行業(yè)有以下幾個顯著特征：第一，機(jī)器人技術(shù)對于我國由制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變尤為重要，政府應(yīng)該加大對國內(nèi)機(jī)器人在政策與經(jīng)濟(jì)上的扶持力度，積極借鑒海外優(yōu)秀經(jīng)驗，全力擴(kuò)大創(chuàng)新與技術(shù)投入。第二，國家的科技發(fā)展總方針中，鼓勵創(chuàng)新型的機(jī)器人項目，調(diào)動創(chuàng)造積極性。應(yīng)大力支持機(jī)器人研發(fā)與機(jī)器人應(yīng)用，以此協(xié)調(diào)產(chǎn)品

8、的生產(chǎn)及自動化。第三，一些國內(nèi)制造的機(jī)器人其技術(shù)水平已經(jīng)能夠和國外分庭抗禮，企業(yè)采購時應(yīng)綜合考慮，不能盲目買國外的機(jī)器人?，F(xiàn)在，我國各行各業(yè)對“用機(jī)器人代替人工作”的呼聲越來越高。我相信，只要國家高度重視機(jī)器人業(yè)的發(fā)展，改變機(jī)器人生產(chǎn)的基本架構(gòu)，將重心放在機(jī)器人技術(shù)的自主研發(fā)上，充分利用高校，研究院，企業(yè)等前端研究平臺，加快機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新建設(shè)，一定可以破解機(jī)器人行業(yè)共性的難題，作為代表時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最前端的機(jī)器人發(fā)展前景甚是喜人。到目前為止，我國已經(jīng)擁有超過4000臺成熟的機(jī)器人，這些機(jī)器人主要被用于一些科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的地區(qū)，國際范圍內(nèi)的機(jī)器人大概有83萬，往往是位于歐美，日本等發(fā)達(dá)國家。在對

9、其研發(fā)方面，我國目前到達(dá)的技術(shù)水平尚不能與發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平持平。美國是世界上首個成功研究出機(jī)器人的國家。美國能夠躋身機(jī)器人強國之列并非浪得虛名。美國在機(jī)器人方面不僅起步早，而且其原有技術(shù)研發(fā)，創(chuàng)新實力雄厚，各方面技術(shù)水平在全世界都堪稱第一。日本對工業(yè)機(jī)器人的研發(fā)比美國稍晚約五年左右，但是日本本國的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強勁，很快就躋身世界機(jī)器人強國之列，從一個機(jī)器人弱國搖身變?yōu)椤肮I(yè)機(jī)器人王國”。日本的工業(yè)機(jī)器人各個方面如生產(chǎn)、出口和使用上的發(fā)展在世界上都遙遙領(lǐng)先。不僅如此，日本的工業(yè)機(jī)器人保有量長期以來遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它國家。相比之下，歐美各國的機(jī)器人保有量雖然增長趨勢較為緩慢但一直亦呈現(xiàn)上升趨

10、勢，近年來才慢慢開始有了較大的增長。德國是除日本和美國之外的第三大工業(yè)機(jī)器人強國，其掌握著對智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用最核心也最為先進(jìn)的技術(shù)。最常見的機(jī)器人有六自由度以及四自由度機(jī)器人。按照ISO對其的定義：工業(yè)機(jī)器人是一種有著較多功用的、能夠反復(fù)編程的自動控制操作機(jī)(Manipulator)，有著超過3個以上編程的軸，使用于工業(yè)自動化行業(yè)中。為實現(xiàn)相應(yīng)的功能，機(jī)器人最后一個軸的接口，往往為一個連接法蘭，能夠裝置不同的器械。對機(jī)器人的定義是:“一種自動定位控制、能夠反復(fù)進(jìn)行編程的、多功用以及多自由度的機(jī)器?？梢酝ㄟ^一定的設(shè)計去完成各種作業(yè)?！倍壳傲杂啥葯C(jī)器人被廣泛地用于各行各業(yè)，且隨著社會的進(jìn)

11、步和發(fā)展，日新月異下對六自由度機(jī)器人提出更多的新的需求和要求。因此，對六自由度機(jī)器人的運動進(jìn)行研究具有非常重要的意義。2 機(jī)器人運動學(xué)分析2.1六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)相對于四自由度機(jī)器人，六自由度機(jī)器人具有六個自由度。六自由度機(jī)器人的機(jī)械臂具有底座，轉(zhuǎn)臺，大臂、肩部、小臂、手腕、末端執(zhí)行器七個部分。六自由度機(jī)器人的六個自由度為：轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰以及手腕回轉(zhuǎn)。詳見圖1.1。圖1.1機(jī)械臂的六個關(guān)節(jié)的運動是有一定的局限的，如圖1.2圖1.22.2運動學(xué)分析 機(jī)器人運動學(xué)研究主要包括兩個方面的問題，一個方面是正運動學(xué)問題，另一個方面是逆運動學(xué)的問題。正運動學(xué)問題中，我們

12、把關(guān)節(jié)變量當(dāng)做是已知變量，通過正運動學(xué)方程來確定機(jī)器人機(jī)械臂的位姿。然后通過逆運動學(xué)方程，計算求得每一關(guān)節(jié)變量的值。使用逆運動學(xué)設(shè)法找到運動方程的逆，該方程中沒有己知變量，所以不能使用將已知量代入正向運動學(xué)方程求解的方法。逆運動學(xué)通過求得的運動方程的逆，進(jìn)一步求得我們要算的那個關(guān)節(jié)變量，這樣機(jī)器人才能處于我們想要得到的位姿。 實踐表明，逆運動學(xué)分析比正運動學(xué)分析更加重要，機(jī)器人內(nèi)部有控制器，控制器計算關(guān)節(jié)值時需要用到這些方程，并以此來運行機(jī)器人，這樣機(jī)器人就能到達(dá)期望的位姿。六自由度機(jī)器人的位置逆解問題是機(jī)器人領(lǐng)域的一個難題也是非常熱門的一個問題。逆解方程中得到的輸出方程在理論研究方面意義重大

13、。實際應(yīng)用方面，逆解方程也是機(jī)器人軌跡規(guī)劃和運動分析的基本條件。3 六自由度機(jī)器人動力學(xué)分析3.1綜述若要對其進(jìn)行運動狀態(tài)的分析，就需要一個媒介來清楚地表示機(jī)器人的運動軌跡。三維空間物體的運動軌跡怎樣才能直觀地表示出來呢，三維空間的點線面應(yīng)該用什么媒介才能表達(dá)清楚呢，答案是矩陣。空間坐標(biāo)系能夠使用這個坐標(biāo)系相對參考坐標(biāo)系的三個方向向量以及一個位置向量進(jìn)行表示。在空間坐標(biāo)系也就是所謂的笛卡爾坐標(biāo)系中，剛體的所處位置能夠使用三個方向向量以及一個位置向量的空間坐標(biāo)系來表示。3.2機(jī)器人動力學(xué)研究方法：3.2.1幾項假設(shè)1、機(jī)器人的所有零部件都被視作剛體，不考慮其彈性形變。2、間隙等因數(shù)不在考慮范圍內(nèi)

14、。3、機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)不屬于考慮因素。3.2.2目標(biāo)通過對六自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點、以動力學(xué)原理為指導(dǎo)理論，由此快速建立運動學(xué)方程。 3.2.3數(shù)學(xué)工具矢量方法、慣性矩陣及矩陣方法等。 3.3力學(xué)原理力學(xué)原理分為：動量矩定理、能量守恒定理、牛頓歐拉方程、達(dá)朗貝爾原理、拉格朗日方程、哈密爾頓原理、凱恩方程等。動量矩定理積分形式的動能定理假定參考系為質(zhì)點系，質(zhì)點的質(zhì)量記為mi，該質(zhì)點受到的外力求和記為  和內(nèi)力求和記為 共同施加的力的作用，記加速度為，做曲線運動在某點瞬時的速度為式中dAi（e）和dAi（i）分別為質(zhì)點i上外力和內(nèi)力的元功。T2-T1=dAi（e）+dA

15、i（t）（1）式中T1，為質(zhì)點系的做工初始動能；T2為質(zhì)點系做功終了動能。式（1）是質(zhì)點系的動能定理的積分形式，該式的含義是:質(zhì)點系總動能的變化量等于它所受內(nèi)外力做功總和。質(zhì)點系動能定理的微分形式：將式（1）兩邊除以dt，得：（2）式中 為外力的功率； 為內(nèi)力的功率。式（2）是質(zhì)點系的動能定理的微分形式，它表明；質(zhì)點系的總動能單位時間內(nèi)的變化等于質(zhì)點系所受外力合理單位時間內(nèi)做功和。根據(jù)質(zhì)點的定義，質(zhì)點也屬于質(zhì)點系的一種，對質(zhì)點分析時，該定理同樣適用。有趣的是，質(zhì)點和剛體，內(nèi)力所做功的總和始終為零，質(zhì)點的定義決定其不受內(nèi)力作用，而剛體始終受一對等價力的作用，因此，他們內(nèi)力所做

16、的功始終為零。3.3.2能量守恒定理能量守恒定律也就是熱力學(xué)第一定律，是指在一個不與外界發(fā)生任何形式能量的交換的系統(tǒng)也即是我們常說的密閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能量是一個定值。其中總能量不僅僅指狹義的將動能與勢能相加，這個時候不能忽略靜止能量，三者相加才是總能量。3.3.3牛頓歐拉方程在理想狀態(tài)下，即滿足我們假設(shè)條件的情況下，我們必須加速或減速運動桿件，其所需要的力或力矩是所需加速度和桿件質(zhì)量分布的函數(shù)；牛頓方程和用于轉(zhuǎn)動情況的歐拉方程一起，描述了機(jī)器人驅(qū)動力矩、負(fù)載力（力矩）、慣量和加速度之間的關(guān)系。達(dá)朗貝爾原理其定義為：對任何一個物理系統(tǒng)來說，其中的慣性力以及外界提供的力，通過符合約束條件的虛位移，

17、最后的虛功的總和為零 。受約束非自由質(zhì)點所受的力包括主動力F以及約束力FN，若是加上慣性力，則有著以下公式： （1）也就是在質(zhì)點運動的任何一個時刻，主動力、約束力以及慣性力三者間組成了平衡力系。上式即為具體的表述。對質(zhì)點上都賦予虛構(gòu)慣性力，那么每個質(zhì)點均位于平衡狀態(tài)，即：Fi+FNi+FIi=0（i=1,2,n） （2）達(dá)朗貝爾一開始建立的公式和式（1）有所差異。將主動力F劃分成兩塊內(nèi)容：F(1)讓質(zhì)點獲得加速度，即，叫做有效力；為克服約束力。達(dá)朗貝爾原理和質(zhì)點靜止時的平衡方程在公式方面是一致的。若是把之前的F(1)、F(2)的表達(dá)式進(jìn)行代入的話，就能夠獲得：和式（1）一樣，都和牛頓

18、第二定律相同。1 達(dá)朗貝爾原理公式如下3.3.5拉格朗日方程拉格朗日方程：在完整系統(tǒng)的大環(huán)境下，動力方程可以由廣義坐標(biāo)表示。我們常說的拉格朗日方程區(qū)別于第一類，叫做第二類拉格朗日方程。通?？蓪懗桑菏街蠺為系統(tǒng)中用各廣義坐標(biāo)qj和各廣義速度q'j所表示的動能；Qj為對應(yīng)于qj的廣義力;N(=3n-k)為這個完整系統(tǒng)的自由度；n為系統(tǒng)的質(zhì)點數(shù)；k為完整約束方程個數(shù)。4 六自由度機(jī)器人運動學(xué)分析4.1運動學(xué)分析的軟件背景是目前使用十分普遍的一種繪圖軟件，是一款與ADAMS有異曲同工之妙的動力學(xué)仿真應(yīng)用軟件，它屬于SolidWorks的一個插件。為虛擬原型機(jī)仿真工具，對機(jī)械臂可以完成運動學(xué)以及

19、動力學(xué)仿真，能夠準(zhǔn)確而直觀地速度，角速度，加速度，角加速度，位移等運動參數(shù)。并且輸出結(jié)果可以用多種形式表示比如記錄一段動畫或者生成一張圖表等。此外，在載荷復(fù)雜的運動情況下，SolidWorks不能獨立完成對裝配體的分析，我們可以將裝配體的復(fù)雜載荷輸入其他可以進(jìn)行運動學(xué)分析的軟件如Adina,ADAMS等，由此得到裝配體剛度強度更加直觀的資料。支持同軸心配合、螺旋配合、平行配合、水平配合等各種配合模式。能夠根據(jù)速度、位移、角度等去定義出較為簡單的運動，也可以通過各種樣條曲線來完成對復(fù)雜運動的界定。Solidworks Motion可以用來模擬給裝配體施加各種外力的情況，如力矩，諧波等，也可以用來

20、模擬裝配體受到各種復(fù)雜外力的情況。所以一些繁瑣的系統(tǒng)的運動仿真就能夠利用進(jìn)行構(gòu)建。本篇論文首先采用做出機(jī)械臂三維模型，然后節(jié)取機(jī)械臂的一個關(guān)節(jié)與底座，運用 Solid Works Motion進(jìn)行機(jī)械臂的運動學(xué)和動力學(xué)仿真。4.2運用solidworks建立六度機(jī)器人機(jī)械臂三維模型 首先用SolidWorks制作出機(jī)械臂各零部件的三維模型。將所有模型通過同軸心，面面重合等配合方式完成裝配。4.3運用Solidworks對進(jìn)行運動學(xué)分析首先啟動SolidWorks，新建裝配體。將做好的機(jī)械臂圖紙中的底座和關(guān)節(jié)導(dǎo)入，如圖。設(shè)置底座的初始位置。這樣就可以形成一個仿真環(huán)境。設(shè)置仿真的基本參數(shù)，如角速度，角加速度，速度，幀數(shù)，力和時間的單