毕业设计（论文）多关节机械臂机构设计技术研究

学位论文多关节机械臂机构设计技术研究学生姓名：系部：机械工程系专业：机械电子工程指导老师：论文提交日期：2014年06月论文答辩日期：2014年06月Ⅱ独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文保密□，在_____年解密后适用本授权书不保密□请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：本论文属于日期：年月日日期：年月日摘要机器人的研究包括三个分支,机械臂(Robot Arm)、机械腿(Robot Leg)和机械手(Robot Hand)。

这三个分支往往是分开研究的,其中以对机械臂的研究最为广泛在最近20年中,机械臂技术得到巨大的发展,机械臂已广泛应用于工业生产及人们生活的各个方面机械臂从能完成一些简单的抓取、放置、喷漆和焊接操作,发展到能实现在印刷电路板上装插集成电路芯片和在汽车工业中装卸与传送零件这样复杂的操作因此对机械臂的深入研究在现代制造装配和空间工程应用中起着非常重要的作用,对其更好的拓宽应用领域、服务工程实际都具有重要的理论价值和现实意义本文主要应用机器人学理论、多体动力学理论及分析力学等理论,对对传统6R机械臂进行改造创新并建模、模态匹配分析、运动学及动力学方程的推导和基于虚拟样机技术的可视化仿真具体成果如下：首先通过编写程序语言使机械臂能模仿人手的动作（c语言或c++）；再选择机械臂的传动机构；其次再确定机械臂各个关节的速度、加速度等参数（雅可比矩阵）；然后根据设计所需，在选择机械臂各个关节传动机构的材料最后对主要零件利用CAD-Computer Aided Design 2012软件对主要零件进行二维建模，利用pro/Engineer软件对6自由度的机械臂进行三维实体建模、装配，并使用matlab软件进行构件各部件的运动仿真。

关键词：机械臂；仿真模拟；动力学模型；C语言目录独创性声明…………………………………………………………………………………………Ⅰ摘要…………………………………………………………………………………………………Ⅱ第1章绪论………………………………………………………………………………………….1 1.1 机械臂研究的意义………………………………………………………………………1 1.2 国内外研究现状…………………………………………………………………………..2 1.3 本文主要研究内容………………………………………………………………………4第2章五自由度机械臂的模态匹配分析…………………………………………...62.1 五自由度机械臂PRO/E模型的立………………………………………….112.2 五自由度机械臂模态参数计算……………………………………………….112.2.1 基本组成零件分析……………………………………………………..…….112.2.2 部件级分析……………………………………………………………..………..212.2.3 总装整体分析………………………………………………………..…….……252.4 结论…………………………………………………………………………………………30第3章传动装置的设计………………………………………………………………….64第4章基于PRO/E六自由度机械臂的运动学可视化仿真与分析……32 3.1 六自由度机械臂动力学仿真分析研究内容和方法…………………..32 3.2 基于PRO/E的三自由度机械臂建模………………………………………….34 3.3 六自由度机械臂动力学仿真……………………………………………………..36 3.4 小结……………………………………………………………………………………………39第4章六自由度机械臂的运动学及动力学分析……………………………..40 4.1 六自由度机械臂的运动学分析……………………………………………….40 4.1.1 六自由度机械臂正向运动学分析…………………………………….40 4.1.2 六自由度机械臂逆向运动学分析….…………………………….…..44 4.2 六自由度机械臂的运动学析…………………………………….……………..47 4.2.1 机械臂机构系统的静力学分析…………………………………………47 4.2.2 六自由度机械臂的动力学分析…………………………………………48 4.3 六自由度机械臂不同参数下的动态分析………………………………..564.3.1忽略摩擦力与考虑摩擦力下的动态分析…………………………..564.3.2在不同长度连杆下的动态分析…………………………………………..60 4.4 小结………………………………………………………………………………………….63第5章各种机构比较……………………………………………………………………….64第6章结论与展望…………………………………………………………………………….64 5.1 研究工作总结…………………………………………………………………………..64 5.2 后续工作展望…………………………………………………………………………..64致谢…………………………………………………………………………………………………….66参考文献…………………………………………………………………………………………….67附录A………………………………………………………………………………………………….70六自由度机械臂动力学模型Ⅰ………………………………………………………70附录B………………………………………………………………………………………………….73六自由度机械臂动力学模型Ⅱ………………………………………………………73第1章 绪论1.1 机械臂的研究意义从古至今,人类探索客观世界和寻求自身发展的活动从来不曾停止。

人类历史中重大的利学发现以及人类文明的不断进步也正是由于这种探索精神在上个世纪,随着科技的高速发展,人类的活动空间得到了迅速扩展,如极地探索、火星探索、月球登陆等,都代表了人类在探索客观世界中所取得的重大突破与此同时,人类社会也发生了翻天覆地的变化高新技术产品的应用,彻底改变了人类的生存方式和生活质量一方面,人类需要一种能够代替自己进行繁琐劳动的机器,另一方面,在一些危险恶劣的环境里,人类的自身条件限制了其探索的步伐,也急切需要一种替代的工具所以,机器人成为能够代替人类工作的机械装置可以想象,机器人作为人类的助手将受到更多的重视,其应用也将更加广泛所谓机器人,是一种可编程的、能执行某些操作作业或移动动作的自动控制机械机器人技术是一种综合了计一算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当前研究十分活跃且应用日益广泛的领域自从20世纪60年代初世界第一台机器人在美国问世以来,便表现出很强的生命力近半个世纪来机器人技术发展非常迅速,工业机器人己在工业生产中得到了广泛的应用机器人的应用情况,是一个国家工业自动化水平的重要标志机器人的研究包括三个分支,机械臂(Robot Arm)、机械腿(Robot Leg)和机械手(Robot Hand)。

这三个分支往往是分开研究的,其中以对机械臂(Robot Arm)的研究最为广泛对机械臂的研究可追溯到三十年前左右,最早始于斯坦福大学及麻省理工学院这样有名望的学校最早的想法来源于电遥控(Teleoperator)和数控机床(Numerically Controlled Machine),把这两项技术有效地结合在一起,便成为今天所说的机械臂机械臂在工业领域的应用最为广泛传统的机械臂一般是由机座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部构成大臂与小臂以串联方式联接,所以也称为串联机械臂通常,一个串联机械臂就是由关节将刚性连杆连接在一起的连杆机构基于制造和控制操作相对简单等方面考虑,机械臂通常只包括旋转或移动关节和相互垂直或平行的轴线从某种意义上说,串联机械臂的发展从遥控机械手就已经开始所谓遥控机械手是指在人类不能到达的工作环境中工作的主从式机械手第一个主从式机械手是1948年〔驱动的机械装置主从式机械手`般具有六个白由度,能使所夹持的物体保持任意位置和姿态多数关节和人臂相似,都是转动关竹,这使得机械臂能够实现人臂的运动,并一且具有较大的活动空间和灵活性Donald L.Pieper在其博士论文中提出:对于任何具有六个转动关节并且三个相邻关节轴线相交的串联机械臂,其运动反解都能用闭合形式解出。

这一理论对工业机器人的设计产生了巨大的影响,直到1973年辛辛那提·米拉克龙公司开发出T3机器人,所有的工业操作手都至少具有一个移动关节从此,多数工业机器人就成为具有六个自山度的操作手这些机器人具有六个转动关节,并且它们末端的三个关节轴线垂直相交,这三个关节就形成了一个球形的腕部,因此,它们就能达到任意位姿总结起来,串联机械臂一般具有以下的结构特点:(1)具有类人的结构,是说它们具有`·肩”(第一个和第二个关节)、“肘”(第三个关节)、“腕,'(最后三个关节)所以,它们总共具有六个自由度,能够将物体放置在任意一个位置2)几乎所有的商业机械臂只有转动关节与移动关节,转动关节的制作成本较低,并且转动关节能够提供更加灵活的工作空间3)串联机械臂很笨重,它所承载的负荷与其自身重量之比为1/10在最近20年中,机械臂技术有了巨大的发展,机械臂已广泛用于工业生产及人们生活的各个方面机械臂从能完成一些简单的抓取、放置、喷漆和焊接操作到能实现在印刷电路板上装插集成电路芯片和在汽车工业中装卸与传送零件这样复杂的操作机械臂在危险环境、微型外科手术和微型机电装置等领域的应用正成为机器人学研究的新领域,机器人的应用已成为衡量某些工厂自动化程度的标准。

1.2 国内现状在国外,瑞士钟表匠德罗斯父子于公元1768至1772年间设计制造出了三个类似真人的机器人—写字偶人、绘图偶人和弹琴偶人捷克斯洛伐克作家KarelCapek于1920年在他的剧本“罗萨姆万能机器人公司”(RUR)中,塑造了只会劳动不会思维的机器人形象,也正是在这个剧本中第一次出现“Robota”一词RobO七a”也就是英语中的“Robot”和汉语中的“机器人”一词现在,人们通常应用到的机器人与幻想中的机器人还是不完全一样的现实中的机器人是“一种能够进行编程并在自动控制下执行某种操作和移动作业任务的机械装置”[0]如今,机器人在各个领域都得到了应用,如工业、航空航天业、服务业等在这些领域中,工业无疑是机器人应用最早也是最成熟的领域195d年,美国人乔治·德沃尔设砂】1了第一台电子程序可控的_上_业机器人,并于1961年发表了该项机器人专利1962年,美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人Unimate在美国通用汽车公司(GM)投入使用,这标志着第一代机器人的诞生第一台工业机器人问世后头十年,即从二十世纪六十年代初期到七十年代初期,机器人技术的发展较为缓慢,许多研究单位和公司所作的努力均未获得成功。

这一阶段的主要成果有美国斯坦福国际研究所(SRI)于1968年研制的移动式智能机器人夏凯(Shakey)和辛辛那提·米拉克龙(Cincinnati Milacron)公司于1973年制成的第一台适于投放市T3等二十世纪七十年代,许多大的日本企业开始生产工业机器人后的几十年中,工业机器人的发展经历了山高潮到低谷,由低谷到复苏的过程在随今天,机器人又展现出蓬勃发展的趋势经历了几十年发展的工业机器人现如今能高速而精确地完成更多更复杂的工作,如焊接、喷涂、装配、拾取和传递等一些高级的工业机器人能够更加灵活的决定怎样完成一个任务例如,一些工业机器人运用人工智能系统来决定怎样工作基于机器人发展对人类探索世界的重要意义,对机器人的深入研究和探讨就成为人类的重要课题之一目前机器人在工业发达国家得到了迅速发展,尤其是日本发展更为迅猛,拥有量占全世界机器人总数的50%左右,一直保持“机器人王国”地位除日本外,世界上还有许多工业发达国家,如美国、俄罗斯和西欧一些国家的机器人产业也发展得很快尽管美国拥有的机器人在台数上不如日本,但其技术水平较高,占有一定的优势经过近十年的努力，我国在工业机器人应用公车的开发方面已具有相当的实力，已有一支了解企业需求，能开发出符合实际使用条件应用工程，成本低，服务及时，具备与国外公司的竞争能力，因此加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程的需要进行工业机器人新产品的开发，使之具有一定的规模化生产能力，这样可以促进我国企业的技术进步和提高竞争力，同时工业机器人的应用也可以形成具有一定规模的产业。

工业机器人在许多生产领域的使用实践证明,它在提高生产自动化水平、提高劳动生产率和提高产品质量以及经济效益、改善工人劳动条件等方面,有着令人瞩目的作用工业机器人必将得到更快速的发展和更广泛的应用从近几年世界推出的工业机器人产品来看,未来工业机器人有如下发展趋势:(1)高级智能化以己忆、视觉、力觉、分析解决问题、推理和学习；(2)结构一体化、应用广泛化(家庭、探险和军警等)；(3)产品微型化(纳米级医疗机器人；(4)组件和构件的通用化、标准化和模块化；(5)高精度和高可靠性机器人工业是一个正在高速崛起的产业,它逐渐成为促进社会化大生产发展的重要力量随着信息时代的到来和世界经济竞争的不断加剧,工业机器人在未来的生产中必将担任更加重要的角色而机器人技术的广泛应用必将推动科学技术和社会经济产生另一次飞跃随着机器人技术的不断发展和日臻完善,它必将在人类社会发展中发挥更加重要的作用1.3 本文主要研究内容论文的选题来自国家“863”计划资助项目“基于目标级联法和 IPDI 原则的制造系统多层次多尺度建模仿真与优化2007AA04Z111）本文以实验室自行研发的五自由度机械臂为研究对象，对其进行运动学、动力学、控制方面的分析、建模和仿真，为其优化设计和控制系统的建立打基础。

第1章 简要介绍工业机器人的定义、发展、分类和应用，对机械臂运动学、动力学、控制和仿真等在国内外的研究情况进行综述，阐述课题来源，叙述论文各章节的具体研究内容第5章各种机构比较5.1 四大类传动优缺点比较在目前四大类传动方式(机械、电气、液压和气压)中，没有一种动力传动是十全十美的以下是四大类传动方式优缺点5.2机械传动方式5.2.1 齿轮传动5.2.2 涡轮涡杆传动适用于空间垂直而不相交的两轴间的运动和动力1. 特点：优点：传动比大；结构尺寸紧凑 缺点：轴向力大、易发热、效率低；只能单向传动涡轮涡杆传动的主要参数有：模数；压力角；蜗轮分度圆；蜗杆分度圆；导程；蜗轮齿数；蜗杆头数；传动比等5.2.3 带传动包括：主动轮、从动轮 ；环形带1. 用于两轴平行回转方向相同的场合，称为开口运动，中心距和包角的概念2. 带的型式按横截面形状可分为平带、V带和特殊带三大类3. 应用时重点是：传动比的计算；带的应力分析计算；单根V带的许用功率4. 带传动的特点：优点： 适用于两轴中心距较大的传动；带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；过载时打滑防止损坏其他零部件；结构简单、成本低廉。

缺点： 传动的外廓尺寸较大；需张紧装置； 由于打滑，不能保证固定不变的传动比 ；带的寿命较短；传动效率较低5.2.4 链传动链传动包括 主动链、从动链 ；环形链条链传动与齿轮传动相比，其主要特点：制造和安装精度要求较低；中心距较大时，其传动结构简单；瞬时链速和瞬时传动比不是常数，传动平稳性较差5.2.5 轮系1. 轮系分为定轴轮系和周转轮系两种类型2. 轮系中的输入轴与输出轴的角速度(或转速)之比称为轮系的传动比等于各对啮合齿轮中所有从动齿轮齿数的乘积与所有主动齿轮齿数乘积之比3. 在周转轮系中，轴线位置变动的齿轮，即既作自转，又作公转的齿轮，称为行星轮,轴线位置固定的齿轮则称为中心轮或太阳轮4. 周转轮系的传动比不能直接用求解定轴轮系传动比的方法来计算，必须利用相对运动的原理，用相对速度法(或称为反转法)将周转轮系转化成假想的定轴轮系进行计算5. 轮系的主要特点：适用于相距较远的两轴之间的传动；可作为变速器实现变速传动；可获得较大的传动比；实现运动的合成与分解5.3电气传动方式1、精确度高：伺服电机作为动力源，由滚珠丝杠和同步皮带等组成结构简单而效率很高的传动机构它的重复精度误差是0.01%。

2、节省能源：可将工作循环中的减速阶段释放的能量转换为电能再次利用，从而减低了运行成本，连接的电力设备仅是液压驱动所需电力设备的25%3、精密控制：根据设定参数实现精确控制，在高精度传感器、计量装置、计算机技术支持下，能够大大超过其他控制方式能达到的控制精度4、改善环保水平：由于使用能源品种的减少及其优化的性能，污染源减少了，噪音降低了，为工厂的环保工作，提供了更良好的保证5、降低噪音：其运行噪音值低于70分贝，大约是液压驱动注塑机噪音值的2/36、节约成本：此机去除了液压油的成本和引起的麻烦，没有硬管或软喉，无须对液压油冷却，大幅度降低了冷却水成本等5.4液压传动方式优点：1. 从结构上看，其单位重量的输出功率和单位尺寸输出功率在四类传动方式中是力压群芳的，有很大的力矩惯量比，在传递相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、惯性小、结构紧凑、布局灵活2. 从工作性能上看，速度、扭矩、功率均可无级调节，动作响应性快，能迅速换向和变速，调速范围宽，调速范围可达100：l到2000：1；动作快速性好，控制、调节比 较简单，操纵比较方便、省力，便于与电气控制相配合，以及与CPU(计算机)的连接，便于实现自动化。

3. 从使用维护上看，元件的自润滑性好，易实现过载保护与保压，安全可靠；元件易于实现系列化、标准化、通用化4. 所有采用液压技术的设备安全可靠性好5. 经济：液压技术的可塑性和可变性很强，可以增加柔性生产的柔度，和容易对生产程序进行改变和调整，液压元件相对说来制造成本也不高，适应性比较强6. 液压易与微机控制等新技术相结合，构成“机-电-液-光”一体化已成为世界发展的潮流，便于实现数字化缺点：1. 液压传动因有相对运动表面不可避免地存在泄漏，同时油液不是绝对不可压缩的，加上油管等弹性变形，液压传动不能得到严格的传动比，因而不能用于如加工螺纹齿轮等机床的内联传动链中2. 油液流动过程中存在沿损失、局部损失和泄漏损失，传动效率较低，不适宜远距离传动3. 在高温和低温条件下，采用液压传动有一定的困难4. 为防止漏油以及为满足某些性能上的要求，液压元件制造精度要求高，给使用与维修保养带来一定困难5. 发生故障不易检查，特别是液压技术不太普及的单位，这一矛盾往往阻碍着液压技术的进一步推广应用液压设备维修需要依赖经验，培训液压技术人员的时间较长5.5气压传动方式优点：1. 以空气为工作介质，工作介质获得比较容易，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比不必设置回收的油箱和管道。

2. 因空气的粘度很小（约为液压油动力粘度的万分之一），其损失也很小，所以便于集中供气、远距离输送外泄漏不会像液压传动那样严重污染环境3. 与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快、维护简单、工作介质清洁，不存在介质变质等问题4. 工作环境适应性好，特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境中，比液压、电子、电气控制优越5. 成本低，过载能自动保护缺点：1. 由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差但采用气液联动装置会得到较满意的效果2. 因工作压力低（一般为0.31.0MPa），又因结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于10～40kN3. 噪声较大，在高速排气时要加消声器4. 气动装置中的气信号传递速度在声速以内比电子及光速慢，因此，气动控制系统不宜用于元件级数过多的复杂回路致谢本论文是在导师刘嘉老师悉心指导下完成的在学习和论文写作期间, 刘嘉老师渊博精深的学术造诣、严谨求实的治学精辛、高尚的品德和博大的胸怀,时刻都在熏陶着我我的学习和生活中的每一个细节都凝聚着老师的辛勤汗水、悉心指导和殷切希望在此我谨向刘嘉老师及其全家表示由衷的感谢最后感谢家人多年来对我生活、学习土的支持和精神上的鼓励,使我能够安洲臼学习、顺利完成学业。

也衷心感谢阎启东先生在我学业期间对我的帮助及支持论文虽然完成,但限于个人能力与水平,不足之处在所难兔,衷心希望老师和同学以及各位朋友予以批评和指正参考文献[1]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006[2]王连明，宋宝玉机械设计课程设计（第四版）[M]哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010[3]朱龙根.简明机械零件设计手册[M].北京：机械工业出版社，2003.[4]谢存禧，李琳空间机构设计与应用创新. 北京：机械工业出版社，2008[5]于靖军.机器人机构学的数学基础.北京：机械工业出版社，2008[6]刘极峰，丁继斌. 机器人技术基础（第二版）.北京：高等教育出版社，2012[7]罗圣国，吴宗泽机械设计课程设计手册（第三版）.北京：高等教育出版社，2006[8]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社，2006。