畢業(yè)論文-工業(yè)機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)論文畢 業(yè) 論 文題目名稱： 工業(yè)機(jī)器人手臂設(shè)計(jì) 院 系： 專 業(yè)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2018年3月30日工業(yè)機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)摘 要：隨著世界工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域越來(lái)越普遍已是大勢(shì)所趨，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也日新月異，其中六軸機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、安裝方便、占地空間小等優(yōu)勢(shì)在機(jī)器人領(lǐng)域里大受好評(píng)，在噴涂、焊接、搬運(yùn)等多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文以設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立D-H數(shù)學(xué)模型計(jì)算末端位置坐標(biāo)和通過(guò)CATIA中DMU運(yùn)動(dòng)分析模塊進(jìn)行機(jī)器人仿真模擬角度對(duì)六軸機(jī)器人手臂進(jìn)行剖析。關(guān)鍵詞：六軸機(jī)器人；D-H數(shù)學(xué)建模；DMU運(yùn)動(dòng)分析Arm design o

2、f industrial robotAbstract: with the development of industry, industrial robots are more and more popular in the field of industrial production is represent the general trend of industrial robot technology, also change rapidly, of which six axis robot with its simple structure, high sensitivity, con

3、venient installation, small space occupation and other advantages in the field of robot acclaimed, widely used in various fields of spraying and welding handling, etc. In this paper, we design the industrial robots structural parameters, establish the D-H mathematical model, calculate the end positi

4、on coordinates, and analyze the six axis robot arm from the angle of CATIAs DMU motion analysis module.Key words: six axis robot; D-H mathematical modeling; DMU motion analysis 目錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc20215 1 緒論 PAGEREF _Toc20215 1 HYPERLINK l _Toc15344 1.1工業(yè)機(jī)器人的作用 PAGEREF _Toc15344 1 HYPERL

5、INK l _Toc15146 1.2中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 PAGEREF _Toc15146 2 HYPERLINK l _Toc27516 1.3國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展情況對(duì)比 PAGEREF _Toc27516 2 HYPERLINK l _Toc3893 2 工業(yè)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc3893 3 HYPERLINK l _Toc2539 2.1工業(yè)機(jī)器人手臂總體結(jié)構(gòu)框架 PAGEREF _Toc2539 4 HYPERLINK l _Toc7259 2.2.工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析 PAGEREF _Toc7259 4 HYPERLINK l _Toc196 2.

6、2.1關(guān)節(jié)6的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc196 4 HYPERLINK l _Toc22029 2.2.2關(guān)節(jié)5的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc22029 4 HYPERLINK l _Toc3479 2.2.3關(guān)節(jié)2、4的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc3479 4 HYPERLINK l _Toc17396 2.2.4關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc17396 5 HYPERLINK l _Toc16476 2.2.5關(guān)節(jié)1的結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc16476 5 HYPERLINK l _Toc2390 2.3工業(yè)機(jī)器人手臂基本尺寸確定 PAGEREF _Toc2390 5

7、 HYPERLINK l _Toc24004 2.3.1大小臂參數(shù) PAGEREF _Toc24004 5 HYPERLINK l _Toc21658 2.3.2關(guān)節(jié)角范圍的確定 PAGEREF _Toc21658 6 HYPERLINK l _Toc19753 2.3.3機(jī)器人手臂工作范圍 PAGEREF _Toc19753 7 HYPERLINK l _Toc24567 3 六軸機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 PAGEREF _Toc24567 7 HYPERLINK l _Toc14089 3.1建立D-H數(shù)學(xué)模型 PAGEREF _Toc14089 7 HYPERLINK l _Toc13460

8、 3.1.1D-H數(shù)學(xué)模型的研究方法 PAGEREF _Toc13460 7 HYPERLINK l _Toc24609 3.1.3D-H參數(shù)表及計(jì)算 PAGEREF _Toc24609 9 HYPERLINK l _Toc11167 3.2在CATIA中DMU模塊中實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模擬 PAGEREF _Toc11167 10 HYPERLINK l _Toc28330 3.3在CATIA中校核D-H模型計(jì)算結(jié)果正確性 PAGEREF _Toc28330 11 HYPERLINK l _Toc17700 4 運(yùn)動(dòng)仿真 PAGEREF _Toc17700 11 HYPERLINK l _To

9、c29263 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc29263 131 緒論1.1工業(yè)機(jī)器人的作用機(jī)器人的出現(xiàn)與高速發(fā)展是社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必然，是為提高社會(huì)的生產(chǎn)水平和人類的生活質(zhì)量，讓機(jī)器人替人們干那些人們不愿干、干不了、干不好的工作。 在現(xiàn)實(shí)生活中有些工作對(duì)人體造成傷害，比如涂裝、重物搬運(yùn)等;有些工作要求質(zhì)量很高，人類難以長(zhǎng)時(shí)間勝任比如汽車焊接、精密裝配等;有些工作人類無(wú)法身臨其境，比如火山探險(xiǎn)，深海探密，空間探索等;有些工作不適合人類去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等，這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。 發(fā)展工業(yè)機(jī)器人的主要目的是在不違背“機(jī)器人三原則”的前提下，用機(jī)器人協(xié)助或

10、替代人類從事一些不適合人類甚至超越人類的工作，把人類從大量的、煩瑣的、重復(fù)的、危險(xiǎn)的崗位中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、柔性化、避免工傷事故、提高生產(chǎn)效率。 對(duì)于制造企業(yè)而言，他們最關(guān)心的問(wèn)題莫過(guò)于:“投資機(jī)器人有哪些處?多長(zhǎng)時(shí)間可以收回投資成本?” 對(duì)此，ABB(工業(yè)機(jī)器人行業(yè)四大巨頭之一)給出了十大投資機(jī)器人的理由。這十大理由包括:第一，降低運(yùn)營(yíng)成本;第二，提升產(chǎn)品質(zhì)量與一致性;第三，改善員工的工作環(huán)境;第四，擴(kuò)大產(chǎn)能;第五，增強(qiáng)生產(chǎn)柔性;第六，減少原料浪費(fèi)，提高成品率;第七，滿足安全法規(guī)，改善生產(chǎn)安全條件;第八，減少人員流動(dòng)，緩解招聘技術(shù)工人的壓力;第九，降低投資成本，提高生產(chǎn)效率;第十，節(jié)

11、約寶貴的生產(chǎn)空間。 在普遍增購(gòu)工業(yè)機(jī)器人的背后，各國(guó)有著不盡相同的原因。最為典型的就是缺少勞動(dòng)力的日本。而我國(guó)也有很多理由歡迎工業(yè)機(jī)器人:機(jī)器人可以提高能效，執(zhí)行連訓(xùn)練有素的工人都不可能勝任的復(fù)雜操作和高危任務(wù);機(jī)器人固有的精確性和可重復(fù)性，可確保生產(chǎn)的每件產(chǎn)品均具備較高的品質(zhì)和一致性，平均故障間隔期達(dá)60000h以上。 而最重要的原因在于人口和經(jīng)濟(jì)基本條件的轉(zhuǎn)變:中國(guó)勞動(dòng)適齡人口正在減少，造成勞動(dòng)力成本螺旋式上升。 據(jù)總部位于法拉克福的國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)(IFR)數(shù)據(jù):2014年，中國(guó)成為世界上使用工業(yè)機(jī)器人最多的國(guó)家?？梢灶A(yù)計(jì)，不久的未來(lái)，現(xiàn)在“以人為主導(dǎo)”的生產(chǎn)模式，將變成“以機(jī)器人為主導(dǎo)

12、”的制造模式。當(dāng)今世界近50%的工業(yè)機(jī)器人集中使用在汽車領(lǐng)域，主要進(jìn)行搬運(yùn)、碼垛、焊接、涂裝和裝配等復(fù)雜作業(yè)。下面著重介紹這幾類工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用情況。1.2中國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 目前，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正在全球范圍內(nèi)加速發(fā)展，2017年的全球工業(yè)機(jī)器人銷量仍然以兩位數(shù)大幅增長(zhǎng)，銷量全年或?qū)⑦_(dá)到28.5萬(wàn)臺(tái)。2015年全球工業(yè)機(jī)器人銷量同比增長(zhǎng)12，而全球正在使用的工業(yè)機(jī)器人已超過(guò)150萬(wàn)臺(tái)。到2018年，其使用量將突破230萬(wàn)臺(tái)，其中，140萬(wàn)臺(tái)在亞洲，占比超過(guò)一半。 自2013年以來(lái)，中國(guó)已成為全球最大的機(jī)器人消費(fèi)國(guó)。2014年消費(fèi)5.6萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人，同比增長(zhǎng)超55，占全球總消費(fèi)量的14，相較于200

13、6年的5800臺(tái)，猛增近10倍。2016年全年產(chǎn)量達(dá)7.2萬(wàn)臺(tái)累計(jì)增長(zhǎng)34.3。中國(guó)的制造業(yè)正面臨著向高端轉(zhuǎn)變的挑戰(zhàn)，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展成為其中非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)。在政策上，2016年推出了多個(gè)利好行業(yè)發(fā)展的新政法規(guī)，將工業(yè)機(jī)器人作為一大重要發(fā)展方向。 2017年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)發(fā)展前景在政策等多方面的推動(dòng)下，預(yù)計(jì)到年末，中國(guó)機(jī)器人保有量將有超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)。未來(lái)將有越來(lái)越多的中國(guó)機(jī)器人供應(yīng)商進(jìn)入市場(chǎng)。外資和中國(guó)本土機(jī)器人供應(yīng)商之間競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)越來(lái)越激烈。未來(lái)中國(guó)市場(chǎng)各種機(jī)器人的增長(zhǎng)潛力巨大。另外，隨著我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、勞動(dòng)力成本不斷攀升及機(jī)器人生產(chǎn)成本下降，未來(lái)“十三五”期間，機(jī)器人是重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象之

14、一，國(guó)內(nèi)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)正面臨加速增長(zhǎng)拐點(diǎn)。相對(duì)于服務(wù)機(jī)器人和商用機(jī)器人在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還處于探索期，工業(yè)機(jī)器人有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)，目前正進(jìn)入全面普及的階段。預(yù)計(jì)到2021年末，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量將達(dá)到11.15萬(wàn)臺(tái)；銷售量將達(dá)到23.04萬(wàn)臺(tái)以及保有量將達(dá)到136.04萬(wàn)臺(tái)。工業(yè)機(jī)器人未來(lái)在中國(guó)的發(fā)展?jié)摿⑹窍喈?dāng)可觀。1.3國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展情況對(duì)比 在2008年全球金融危機(jī)之后，工業(yè)機(jī)器人作為高端裝備制造業(yè)的代表，再次受到了各國(guó)普遍重視。各國(guó)為提振本國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，紛紛推出了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，加速布局及推動(dòng)本國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展。接下來(lái)從多個(gè)角度對(duì)美國(guó)、日本、德國(guó)、韓國(guó)、中國(guó)等5個(gè)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器

15、人發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)行對(duì)比分析，梳理五國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的思路。國(guó)別戰(zhàn)略定位產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景主要措施主要目標(biāo)美國(guó)技術(shù)領(lǐng)先面對(duì)產(chǎn)業(yè)“空心化”的情況，2009 年美國(guó)政府提出“再工業(yè)化”，鼓勵(lì)制造企業(yè)重返美國(guó)，重構(gòu)實(shí)體經(jīng)濟(jì)。重視工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展，鼓勵(lì)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用從大公司不斷走向中小型企業(yè)。實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人技術(shù)世界領(lǐng)先、保持制造業(yè)世界第一的地位日本全面領(lǐng)先存在較嚴(yán)重的社會(huì)老齡化、勞動(dòng)人口減少、自然災(zāi)害頻發(fā)等問(wèn)題，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)面臨中國(guó)、韓國(guó)等新興國(guó)家快速追趕。擬通過(guò)實(shí)施五年行動(dòng)計(jì)劃和六大重要舉措達(dá)成三大戰(zhàn)略目標(biāo)，推動(dòng)日本機(jī)器人革命，提升日本制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，獲取大數(shù)據(jù)時(shí)代的全球化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。保持世界第

16、一的“機(jī)器人 王國(guó)”地位德國(guó)綜合領(lǐng)先制造業(yè)增長(zhǎng)乏力，以美國(guó)為首的信息技術(shù)不斷滲透到制造業(yè)，使得德國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)面臨被削弱的危機(jī)?！肮I(yè)4.0”帶動(dòng)機(jī)器人智能化，將工業(yè)機(jī)器人融入“智能制造”的信息物理系統(tǒng)(CPS,Cyber-PhysicalSystem) 中，在制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，推動(dòng)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。保持世界制造業(yè)強(qiáng)國(guó)地位韓國(guó)產(chǎn)業(yè)追趕國(guó)內(nèi)汽車、電子等行業(yè)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求旺盛，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在海外市場(chǎng)表現(xiàn)不佳，急需尋求機(jī)器人發(fā)展突破點(diǎn)。提出四個(gè)策略推動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，通過(guò)推動(dòng)機(jī)器人與各領(lǐng)域的融合應(yīng)用，將機(jī)器人打造成支柱產(chǎn)業(yè)，重點(diǎn)發(fā)展救災(zāi)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、智能工業(yè)機(jī)器人、家庭機(jī)器人等四

17、大類型機(jī)器人。進(jìn)入世界機(jī)器人強(qiáng)國(guó)前三名中國(guó)全面追趕市場(chǎng)增長(zhǎng)快，發(fā)展空間大，但是自主發(fā)展能力較差，關(guān)鍵零部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口。工業(yè)機(jī)器人企業(yè)數(shù)量多，低水平競(jìng)爭(zhēng)，同質(zhì)化嚴(yán)重?！笆?時(shí)期要實(shí)現(xiàn)“兩突破”、“三提升”，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)鍵零部件和高端產(chǎn)品的重大突破，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人質(zhì)量可靠、市場(chǎng)占有率和龍頭企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大幅提升。形成較為完善的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)體系，成為世界制造強(qiáng)國(guó)。2 工業(yè)機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前的工業(yè)機(jī)器人中，最為普遍的就是六軸機(jī)器人了，他相比于傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系和極坐標(biāo)系機(jī)器人，極大提升了機(jī)構(gòu)的靈活性，通過(guò)6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸控制機(jī)器人手臂的6個(gè)自由度，與此同時(shí)，六軸機(jī)器人擁有大臂和小臂兩個(gè)機(jī)械臂，通

18、過(guò)兩臂間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，大大提升工作空間，而且其占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，安裝方便。本章節(jié)主要設(shè)定機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)，研究其本體機(jī)構(gòu)，然后通過(guò)前三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況，研究其位姿變換，最終求得所研究的工業(yè)機(jī)器人手臂的工作范圍。2.1工業(yè)機(jī)器人手臂總體結(jié)構(gòu)框架本次研究的六軸機(jī)器人手臂，總體結(jié)構(gòu)遵循傳統(tǒng)六軸機(jī)器人，都是以軸1軸6相交的系統(tǒng)建立各個(gè)關(guān)節(jié)，其中軸2與軸3平行，軸4、軸5、軸6相交于一點(diǎn)，為了確保機(jī)器人手臂在工作中的靈活性，盡量節(jié)約空間，以及保證工作范圍最大化，我們將伺服電機(jī)位置盡量下移，這里將控制大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的伺服電機(jī)放在基座側(cè)端，通過(guò)蝸輪蝸桿改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向，滿足工作需求；控制大臂和小臂俯仰的伺服電機(jī)

19、放在驅(qū)動(dòng)臂座與大臂相交的位置，控制軸4軸5軸6的電機(jī)放在小臂靠近大臂末端的位置，將重心后移，減少力矩，所有伺服電機(jī)皆為外置，減少了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且方便電機(jī)的維修檢查。手腕部分選擇RBR型手腕，最初的RBR型手腕式為了避免管路打結(jié)所以設(shè)計(jì)的尺寸很大，不過(guò)我們這里將軸4的占用空間歸至小腕的長(zhǎng)度之中，而且不同于傳統(tǒng)的六中機(jī)器人手臂的同步帶輪設(shè)計(jì)，這里將軸4軸5軸6的傳動(dòng)交由幾個(gè)空心的中心軸帶動(dòng)，既保證運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響內(nèi)部管路，又比同步帶輪更節(jié)約空間并且美觀。2.2.工業(yè)機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析2.2.1關(guān)節(jié)6的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)6的傳動(dòng)零件包括兩組錐形齒輪，一組直齒圓柱形齒輪，一組諧波齒輪，一個(gè)連接錐齒輪與諧波齒輪

20、的中心軸以及軸承和連接件組成，其中中心軸實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的遠(yuǎn)距離輸出，而且相對(duì)于同步帶輪精度更高。兩組錐齒齒輪兩次改變轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向，使其與關(guān)節(jié)5配合更契合，并使轉(zhuǎn)動(dòng)軸最終轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)槭滞竽┒说霓D(zhuǎn)動(dòng)方向。2.2.2關(guān)節(jié)5的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)5的傳動(dòng)零件包括一組錐形齒輪，一組諧波齒輪，一個(gè)連接錐齒輪與諧波齒輪的中心軸以及軸承和連接件組成，其中中心軸同樣起到了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)淖饔?，錐形齒輪改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向。2.2.3關(guān)節(jié)2、4的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)4的傳動(dòng)零件只有一組諧波齒輪和軸承以及連接件組成，諧波齒輪降低了電機(jī)傳動(dòng)來(lái)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，并且放大了力矩，連接中心軸帶動(dòng)手腕整體轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)2則是直接通過(guò)諧波齒輪降低轉(zhuǎn)速傳動(dòng)到大臂轉(zhuǎn)軸上，

21、帶動(dòng)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)。2.2.4關(guān)節(jié)3的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)3的傳動(dòng)零件包括一組諧波齒輪和一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)組成，平行四邊形機(jī)構(gòu)將帶動(dòng)小臂的電機(jī)位置下移，更節(jié)約空間，使機(jī)構(gòu)更加靈活。2.2.5關(guān)節(jié)1的結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)1的傳動(dòng)是通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)的，蝸輪蝸桿傳動(dòng)可以改變轉(zhuǎn)軸方向，不同于錐形齒輪的地方在于兩嚙合齒面間為線接觸，所以其承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錐形齒輪，并且機(jī)構(gòu)更加緊湊。2.3工業(yè)機(jī)器人手臂基本尺寸確定本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人手臂主要針對(duì)點(diǎn)膠，弧焊，搬運(yùn)功能進(jìn)行技術(shù)分析與參數(shù)設(shè)定2.3.1大小臂參數(shù)機(jī)器人的工作范圍是一個(gè)機(jī)器人最總要的參數(shù)，也是所有機(jī)器人參數(shù)中最直觀最重要的參數(shù)之一，機(jī)器人的工作空間由機(jī)器人的位姿和手腕工作空間決定

22、，位姿變化大臂（l1）小臂(l2)的長(zhǎng)度密切相關(guān)，是影響機(jī)器人手臂工作范圍的最直接因素，理想情況下機(jī)器人工作范圍為一個(gè)R=（l1+12),r=(l2-l1)的同心圓組成的圓環(huán)構(gòu)成，當(dāng)l2=l1時(shí)方為最大，因?yàn)榭紤]到手腕轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)與基座空間干涉，所以l1=l2時(shí)兩臂間的夾角不可能為0，那么l1=l2就沒(méi)有意義了，為了實(shí)現(xiàn)手腕運(yùn)動(dòng)不會(huì)與大臂干涉，我們選取l2=l1+R1+d,其中R1為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，d為安全距離。2.3.2關(guān)節(jié)角范圍的確定關(guān)節(jié)角度是機(jī)器人位姿變化的另一大重要性因素，所以我們要在允許的范圍內(nèi)選區(qū)最大的關(guān)節(jié)角以達(dá)到工作范圍最大化的目的，主要影響關(guān)節(jié)角大小確定的因素有空間結(jié)構(gòu)上各零件在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)

23、程中發(fā)生空間干涉，以及各零件之間的安全距離。首先要考慮的就是大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，大臂前傾后仰與驅(qū)動(dòng)臂座是否干涉，與底座是否會(huì)發(fā)生碰撞，以及安全距離的保證，其次要考慮到大臂前傾角度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)構(gòu)重心前移，重心偏移過(guò)大會(huì)增加機(jī)器所承受的載荷，載荷過(guò)大就需要增加機(jī)器關(guān)鍵部位零部件強(qiáng)度，增加不必要的麻煩，所以我們選取大臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度的時(shí)候前傾角不要太大，其次是小臂，只要空間不干涉并且保證安全距離就可以，之后各個(gè)關(guān)節(jié)角度確定都依據(jù)這兩個(gè)因素，最終確定出一下參數(shù)表：六軸機(jī)器人手臂參數(shù)表自由度6額定負(fù)載20KG最大工作半徑1361.5mm關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍關(guān)節(jié)1-170deg,+170deg關(guān)節(jié)2+20deg,+14

24、0deg關(guān)節(jié)3-90deg,+80deg關(guān)節(jié)4-180deg,+180deg關(guān)節(jié)5-120deg,+120deg關(guān)節(jié)6-360deg,+360deg各關(guān)節(jié)最大轉(zhuǎn)速關(guān)節(jié)1112deg/s關(guān)節(jié)2112deg/s關(guān)節(jié)3149deg/s關(guān)節(jié)4300deg/s關(guān)節(jié)5300deg/s關(guān)節(jié)6360deg/s2.3.3機(jī)器人手臂工作范圍根據(jù)以上確定的機(jī)器人基本參數(shù)，我們可以繪制出工業(yè)機(jī)器人手臂的工作范圍，圖1為關(guān)節(jié)2、3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人位姿變化，圖中各個(gè)圓弧半徑分別為大小臂角度為180deg時(shí)沿大臂旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)+20deg+140deg的軌跡、大臂最大俯角時(shí)，小臂沿著小臂旋轉(zhuǎn)軸線由與大臂180度旋轉(zhuǎn)到最大俯角的軌

25、跡、小臂大小臂最小俯角時(shí)沿大臂旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)+20deg+140deg的軌跡、大小臂最大仰角時(shí)，小臂沿小臂旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)-90deg+80deg的軌跡，圖2為機(jī)器人關(guān)節(jié)1轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)器人位姿變化，這兩個(gè)圖相結(jié)合就是工業(yè)機(jī)器人的工作范圍。3 六軸機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1建立D-H數(shù)學(xué)模型3.1.1D-H數(shù)學(xué)模型的研究方法D-H建模其實(shí)就是齊次坐標(biāo)變換的變形，他通過(guò)特定的坐標(biāo)軸選擇，達(dá)到用4個(gè)參數(shù)來(lái)約束空間6個(gè)自由度的目的，從而使計(jì)算更高效。他可以將一個(gè)機(jī)器中的多個(gè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成多個(gè)關(guān)節(jié)和連桿，然后通過(guò)連桿長(zhǎng)度、連桿扭轉(zhuǎn)、連桿偏移和關(guān)節(jié)扭角四個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行運(yùn)算。其中連桿長(zhǎng)度代表兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸線（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)

26、軸或者平移關(guān)節(jié)的平行軸）間的距離，就是兩軸線公垂線的長(zhǎng)度。連桿扭轉(zhuǎn)代表一個(gè)關(guān)節(jié)軸線繞它與下一個(gè)關(guān)節(jié)公垂線轉(zhuǎn)動(dòng)至與下一個(gè)關(guān)節(jié)軸線平行位置的轉(zhuǎn)角。連桿偏移是指一個(gè)關(guān)節(jié)與前后兩個(gè)關(guān)節(jié)的公垂線在這個(gè)關(guān)節(jié)軸線上的距離。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角則是指一個(gè)關(guān)節(jié)與前后兩個(gè)關(guān)節(jié)的公垂線在這個(gè)關(guān)節(jié)軸線上的轉(zhuǎn)角。在D-H參數(shù)體系中，我們通常用關(guān)節(jié)的軸線作為D-H軸系的Z軸，用本關(guān)節(jié)指向下一關(guān)節(jié)的方向定義為X軸，然后通過(guò)右手定則確定Y軸的方向。3.1.2為六軸機(jī)器人手臂建立D-H模型在我本次研究的六軸機(jī)器人手臂中包括了6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，所以我們需要對(duì)每個(gè)軸建立一個(gè)坐標(biāo)系，并且要建立一個(gè)初始坐標(biāo)系和一個(gè)末坐標(biāo)系，總共8個(gè)坐標(biāo)系。首先找到在

27、機(jī)器人手臂各個(gè)軸的軸線，并畫(huà)出相鄰兩軸線的公垂線，如下圖所示：我們把六軸機(jī)器人手臂的六個(gè)關(guān)節(jié)依據(jù)底座到手腕部分的方向依次定義為軸1到軸6。圖中綠色線代表軸線，紅色線代表公垂線，相鄰兩平行軸線的公垂線與上一公垂線相交，其中軸二、軸三方向?yàn)橥队胺较虻姆ㄏ?，軸4、軸5、軸6軸線相交于一點(diǎn)。然后開(kāi)始建立D-H參數(shù)中的軸系，選取各軸的軸線為Z軸，方向等X軸方向確定后再定義，定義軸系1的X軸為軸1與軸2的公垂線，方向?yàn)檩S1指向軸2方向，Z軸方向?yàn)榛赶驒C(jī)械臂方向，原點(diǎn)為軸1軸線與軸1軸2公垂線的交點(diǎn)；軸系2的X軸為軸2與軸3的公垂線，方向?yàn)檩S2指向軸3，Z軸方向?yàn)橹赶驁D片里，原點(diǎn)為軸2軸線與軸2軸3公垂

28、線的交點(diǎn)；軸系3的X軸為軸3與軸4的公垂線，方向?yàn)檩S3指向軸4，Z軸方向?yàn)橹赶驁D片里，原點(diǎn)為軸3軸線與軸3軸4公垂線的交點(diǎn)；軸4與軸5的公垂線和軸4與軸3的公垂線平行，所以X軸方向與軸系3一致，Z軸方向由軸4指向軸5，原點(diǎn)為軸4軸線與軸3軸4公垂線的交點(diǎn)；軸系5的X軸為軸5與軸6的公垂線，方向在圖中向上，Z軸方向指向圖片里，原點(diǎn)為軸4軸5軸線交點(diǎn)；軸系6的X軸方向與軸系5的X軸方向一致，Z軸由軸5指向軸6，原點(diǎn)與軸系5一致；初始軸系（軸系0）X軸Z軸方向均與軸系1一致，原點(diǎn)為軸1軸線與底座底面交點(diǎn)；末坐標(biāo)系（軸系7）X軸Z軸方向均與軸系6一致，原點(diǎn)為軸6軸線與手腕末端平面交點(diǎn)，Y軸方向遵循右手

29、定則。建立的D-H軸系如下圖所示：3.1.3D-H參數(shù)表及計(jì)算依據(jù)所建軸系測(cè)量出計(jì)算所需的D-H參數(shù)，見(jiàn)下表：ad100561.06912181.053-90deg023664.9950034169.846-90deg045090deg675.5560-90deg067（末端）001780根據(jù)D-H參數(shù)表中的信息，可以得出以下變換矩陣：T=；T=；T=；T=；T=；T=；T=。將以上矩陣依次相乘，得出初末軸系變換矩陣：T=TTTTTTT3.2在CATIA中DMU模塊中實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)模擬CATIA中的DMU模塊可以對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析，是CATIA中很強(qiáng)大的功能，在數(shù)字模型運(yùn)動(dòng)機(jī)

30、構(gòu)模擬(DMU Kinematics)模塊里，我們可以應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，通過(guò)約束零件之間自由度的方法，建立出機(jī)構(gòu)，并且按照所設(shè)定的命令達(dá)到需要的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。在這個(gè)模塊里數(shù)種接合方式，供用戶創(chuàng)建機(jī)構(gòu)，并且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真，記錄運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，然后制作成影片播放。進(jìn)入DMU運(yùn)動(dòng)分析模塊需要處于Product模塊下，才可以直接導(dǎo)入裝配到DMU運(yùn)動(dòng)分析中，不然就會(huì)新建一個(gè)Product文件，然后要將已有的子產(chǎn)品導(dǎo)入到到這個(gè)裝配中。進(jìn)行DMU運(yùn)動(dòng)分析的第一步就是創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)接合（Joint），這里的17種運(yùn)動(dòng)接合可以模擬大多數(shù)運(yùn)動(dòng)方式，大致可以分為四類，實(shí)體接合，幾何接合，復(fù)合接合，以及坐標(biāo)對(duì)齊。其中實(shí)體結(jié)

31、合就是用已有的零件，利用零件的軸、面等進(jìn)行約束的接合方法，幾何接合是利用創(chuàng)建的幾何圖形進(jìn)行約束，復(fù)合接合是擁有多個(gè)自由度的接合方式，坐標(biāo)對(duì)齊是一種利用創(chuàng)建坐標(biāo)軸的方法創(chuàng)建接合的方法。在這次研究的六軸機(jī)器人中，我們可以應(yīng)用到的只有旋轉(zhuǎn)接合，剛性接合和齒輪接合，其他的就不一一介紹了。旋轉(zhuǎn)接合，可以讓兩個(gè)零件繞著一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但這兩個(gè)將零件在結(jié)合的位置必須各有一條軸線和一個(gè)與軸線正交的平面，將兩軸線重合并設(shè)置兩平面之間的偏移距離后，即成為了一個(gè)自由度為1的旋轉(zhuǎn)接合。剛性接合，可以將兩個(gè)零件接合成一個(gè)剛體，保證兩個(gè)零件之間的相對(duì)位置不再改變，這個(gè)接合方式可以模擬螺栓固定，在這次研究中應(yīng)用最為頻繁。齒輪接

32、合，這種接合方式是采用虛擬出兩個(gè)圓盤(pán)帶替齒輪，手動(dòng)設(shè)置傳動(dòng)比和旋轉(zhuǎn)方向，不需要繪制齒輪模型就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真，齒輪接合由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)接合組成，每個(gè)旋轉(zhuǎn)接合都有一個(gè)固定轉(zhuǎn)軸和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)組成，圓盤(pán)間不需要相互接觸，圓盤(pán)大小與齒輪的傳動(dòng)比也無(wú)關(guān)。一個(gè)完整的機(jī)構(gòu)還要有一個(gè)固定零件作為參考，所有的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)于固定零件進(jìn)行的，而且一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中只能有一個(gè)固定零件。3.3在CATIA中校核D-H模型計(jì)算結(jié)果正確性在CATIA中進(jìn)入DMU運(yùn)動(dòng)分析模塊，打開(kāi)六軸機(jī)器人裝配圖，為了讓各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角更直觀的體現(xiàn)出來(lái)將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只保留表面結(jié)構(gòu)，將內(nèi)部齒輪和一些不必要的連接結(jié)構(gòu)隱藏，只保留各個(gè)關(guān)節(jié)和外觀，然后將底座固定，將關(guān)節(jié)1以前的結(jié)構(gòu)都依次進(jìn)行剛性接合，建立約束，之后選取底盤(pán)旋轉(zhuǎn)渦輪上法蘭蓋軸線與驅(qū)動(dòng)臂座的軸線通過(guò)兩零件相互平行的兩個(gè)偏移平面建立一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)接合，然后將關(guān)節(jié)2與關(guān)節(jié)3之間所有的零件通過(guò)剛性接合依次接合在一起，再選取關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3對(duì)應(yīng)軸線與平面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)接合約束，以此類推，直到將所有保留的零件都約束好了，機(jī)構(gòu)中顯示自由度為6，就可以進(jìn)行下一步了。點(diǎn)擊使用命令進(jìn)行模擬，在其中調(diào)節(jié)各個(gè)關(guān)節(jié)角度，讓機(jī)構(gòu)動(dòng)起來(lái)，選取一組關(guān)節(jié)角度，在CATIA中用坐標(biāo)創(chuàng)建一個(gè)點(diǎn)，設(shè)這個(gè)點(diǎn)基于軸系7的坐標(biāo)為（0,100,