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1、 机器人机器人技术基础课程设计技术基础课程设计 基于基于 A Adamsdams 的的五自由度机器人运动学仿真五自由度机器人运动学仿真 2015 年 6 月 23 日 设计设计题目：焊接机器人题目：焊接机器人 学生学生班级：机电班级：机电 XXXX 班班 学生学生学号：学号：XXXXXXXX 学生学生姓名姓名：X XXXXX 指导指导老师：老师：X XXXXX 目目 录录 第一章第一章 机器人三维模型建立机器人三维模型建立 2 2 1.1 1.1 机器人机器人 D D- -H H 参数的确定参数的确定 2 2 1.2 1.2 机器人运动学机器人运动学 3 3 1.2 1.2 创建模型创建模型
2、5 5 1.3 1.3 模型导入模型导入 AdamsAdams 1111 第二章第二章 焊接机器人末端执行器轨迹设定焊接机器人末端执行器轨迹设定 1313 2.1 Adams2.1 Adams 驱动轨迹设计驱动轨迹设计 1313 第三章第三章 5 5 自由度焊接机自由度焊接机器人典型工况分析器人典型工况分析 1515 3.1 3.1 直线工况直线工况 1515 3.2 3.2 圆周工况圆周工况 1818 结结 论论 2323 不足之处不足之处 2323 心得体会心得体会 2424 参考文献参考文献 2525 1 摘摘 要要 通过Solidworks建模软件建立五自由度机器人模型， 导入ADAM
3、S进行仿真，利用 ADAMS 的运动仿真功能对五自由度机器人的运动特性进行了仿真分析,给出了机器人在典型运动状态下,手部末端的位移、 速度及加速度等特性曲线,为机器人运动控制及优化设计提供参考依据。 并且根据机器人的 D-H 方法分析了五自由度机器人的特点，解决机器人运动学方程的建立及手部位姿的求解。 关键词关键词：焊接机器人 D-H 坐标系 轨迹设计 Solidworks 建模 Adams 仿真 2 第一章第一章 机器人三维机器人三维模型建立模型建立 1.11.1 机器人机器人 D D- -H H 参数参数的确定的确定 本次设计的机器人为 5 自由度的机器人，包括基座、肩、手臂、手腕、手爪五
4、个部分。通过对机器人本体进行分析，采用 D-H 法建立坐标系，建立的数学模型如下图 1.1 所示。 图图 1 1- -1 1 D D- -H H 坐标坐标系系 根据 D-H 坐标系确立的原则： 连杆 i 的坐标系的 Zi轴位于连杆 i 与连杆 i+1 的转动关节轴线上； 连杆 i 的两端轴线的公垂线为连杆坐标系的 Xi轴， 方向指向下一个连杆； 公垂线与 Zi的交点为坐标系原点，坐标系的 Yi轴由 Xi和 Zi确定。至此，五自由度机器人的坐标系3 确立如上图。根据建立的坐标系将各连杆的 D-H 参数和关节变量确定如表 1-1。 表表 1 1- -1 1 五自由度五自由度机器人机器人各各连杆的连
5、杆的 D D- -H H 参数参数和关节变量和关节变量 连杆 a d 1 1 90 0 l l1 1 2 2 0 l l2 2 0 3 0 90 0 0 4 4 90 0 l l3 3 1.2 1.2 机器人机器人运动学运动学 研究机器人运动学的重点是其手部的位姿和运动， 一是根据机器人的各关节的转角或位移推算出机器人末端执行器的位姿； 二是根据机器人末端位姿计算出各个关节各自的转角或位移。从运动学的角度讲，前者是运动学正问题，后者是运动学逆问题。 1.2.1 机器人运动学正解机器人运动学正解 机器人正向运动学主要解决机器人运动学方程的建立及手部位姿的求解。 对于本文的五自由度机器人其运动学方
6、程为： T4=A1A2A3A4 其中：A1、A2、A3、A4各矩阵表示第 i+1 连杆相对于第 i 连杆的齐次变换： 1111111111( ,)( ,0,)(,)cos0sin0 sin0cos0 010 0001ARot ZTrans ad Rot Xl 4 222222222222( ,)(,0,)(,)cossin0cos sincos0sin 0010 0001ARot ZTrans adRot Xl 33333( ,)(,0,)(,)1000 0010 0100 0001ARot ZTrans ad Rot X 444444443( ,)(,0,)(,)cos0sin0 sin00
7、0 010 0001ARot ZTrans adRot Xl 将上述各参数代入，可求出以14为变量的运动学方程，若给定各关节变量14的位置值，即可求得机器人手部的位姿： 412341412412124123122411412214213124222413sinsincoscoscoscossincoscossincoscoscossin coscossincossinsinsincossinsincossinsinsin cossincossinsincoTAAAAl l ll 222ssin 0001l 式中，前三列表示手部的姿态，第四列表示手部的位置。 1.2.2 运动学反解运动学反解 机
8、器人运动学反解是在已知手部要达到的目标位姿的情况下如何求出各关节变量，以驱动各关节的马达，使手部的位姿得到满足。机器人逆运动学求解方法众多，一般分为两类：封闭解和数值解。由于不同学者对同一机器人的运动学逆解提出不同的解法， 同时机器人运动学逆解问题在求解时还有可能无解或存在5 多个解，使得机器人运动学的反解成为机器人运动学研究中的难点， 本设计中不作赘述。 1.2 1.2 创建创建模型模型 1.2.1 启动启动 Solidworks 双击打开 Solidworks，点击创建，选择确定之后进入零件编辑界面。 1.2.2 创建创建底座底座构件构件 首先单击草图绘制，选择矩形绘制，选择前视基准面为作
9、图面，绘制一个边长为 400mm 的正方形，单击特征，选择按钮，设置拉伸长度为 100mm，由此得到一个矩形方块；然后单击草图绘制，选择圆形绘制，选择矩形方块的上表面为绘图基准面绘制一个半径 R=100mm 的圆形，单击特征，选择按钮，设置切除深度为 100mm。至此，得到如下图所示基座构件。 图图 1 1- -2 2 6 1.2.3 创建躯干创建躯干构件构件 单击草图绘制， 选择圆形绘制工具， 以上视基准面为作图面， 绘制一个圆形，设置半径为 100mm，点击特征，选择按钮，设置拉伸长度为 100mm，得到图 1-3 所示圆柱体； 单击草图绘制，选择矩形绘制工具，以圆柱体上表面为作图面，绘制
10、一个正方形，设置边长为 50mm，点击特征，选择拉伸凸台/基体按钮，设置拉伸长度为500mm，得到图 1-4 所示构件模型； 单击草图绘制，选择矩形绘制工具，以图 1-4 所得构件的上表面为作图面，绘制一个矩形，用智能尺寸工具设置矩形长度为 100mm,宽度为 50mm，点击特征，选择拉伸凸台/基体按钮，设置拉伸长度为 150mm，得到一个由圆柱体，矩形柱组成的模型，然后点击草图绘制，选择矩形绘制工具，以矩形柱上表面为作图面，绘制边长为 50mm 的正方形，点击特征，选择按钮，设置反向拉伸长度为 125mm，得到图 1-5 所示构件模型； 单击草图绘制工具， 通过作图找到图 1-5 距离顶部
11、50mm 的右视图构件的中心点，以右视图中模型的表面为作图面作一个半径为 12.5mm 的圆形，点击按钮，选择完全贯穿，得到两个半径为 12.5mm 的孔，如图 1-6 所示。 图图 1 1- -3 3 图图 1 1- -4 4 图图 1 1- -5 5 图图 1 1- -6 6 7 1.2.4 创建创建肩构件肩构件 单击草图绘制，选择矩形绘制工具，以上视图基准面为作图面，绘制一个正方形，设置边长为 50mm，点击特征，选择拉伸凸台/基体按钮，设置拉伸长度为300mm，得到一个方柱模型； 单击草图绘制，选择矩形绘制工具，以方柱的上表面为作图面，绘制一个矩形，用智能尺寸工具设置矩形长度为 100
12、mm,宽度为 50mm，点击特征，选择拉伸凸台/基体按钮，设置拉伸长度为 100mm，得到一个阶梯方柱模型，然后点击草图绘制，选择矩形绘制工具，以矩形柱上表面为作图面，绘制边长为 50mm 的正方形，点击特征，选择按钮，设置反向拉伸长度为 75mm，得到下图中图1-7 所示构件模型； 单击草图绘制，建立一个图 1-7 模型距离底部 25mm 的基准点（且为位于模型右表面对称线上的一点） ，退出草图，以此点作一个半径为 25mm 的圆形，点击特征，选择拉伸切除按钮，选择完全贯穿两者，选择要切除的轮廓，然后得到图 1-8 所示构件模型； 单击草图绘制，以距离底部 25mm 的基准点为圆形作一个圆，
13、然后拉伸切除，选择完全贯穿两者，得到如图 1-9 所示模型； 单击草图绘制， 建立一个距离模型顶部 25mm 的基准点 （且为位于模型右表面对称线上的一点） ，退出草图，以此点作一个半径为 12.5mm 的圆形，然后拉伸切除，选择完全贯穿两者，得到如图 1-10 所示模型，至此，肩构件模型建立完成。 图图 1 1- -7 7 图图 1 1- -8 8 图图 1 1- -9 9 图图 1 1- -1010 8 1.2.5 创建创建手臂构件手臂构件 单击草图绘制，选择矩形绘制工具，以上视基准面为作图面，作一个边长为50mm 的正方形， 点击特征， 选择按钮， 设置拉伸方向 1 拉伸长度为 500mm，拉伸方向 2 拉伸长度为 200mm，得到一个图 1-11 所示棱柱； 单击草图绘制，建立一个距离棱柱底部 200mm 的基准点（且为位于模型表面矩形面对称线上的一点） ， 然后以棱柱表面为作图面， 作一个半径为 12.5mm 的圆，选择拉伸切除，设置切除深度为 50mm，确定之后，
