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1、第 章 目录摘 要IAbstract21绪论51.1 引言51.2机器人研究现状及发展趋势61.3本课题的主要研究内容和工作安排111.3.1课题研究的背景及意义111.3.2课题研究的内容及安排122四自由度串联机器人本体结构设计132.1机器人的总体方案设计142.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点142.1.2机器人驱动方案的确定142.1.3机械传动方案的确定152.1.3机器人基本技术参数设计162.1.4机器人本体的总体结构172.2机器人本体基本结构设计182.2.1大臂和小臂机械结构设计182.2.2腕部机械结构设计202.2.3直线组件的设计选择202.2.4支架结构设计2
2、12.2.5步进电机与减速器的计算和选择222.2.6机器人传动轴的校核242.2.7机器人本体的三维模型252.3本章小结263四自由度抓取机器人运动学分析及仿真273.1机器人运动学分析273.1.1奇次坐标变换273.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法283.1.3抓取机器人运动学模型的建立303.2机器人运动学方程的建立313.2.1抓取机器人的正运动学分析313.2.2工业机器人工作空间分析343.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解373.2.4 抓取机器人的逆运动学分析413.3四自由度串联机器人运动学仿真453.3.1虚拟样机技术概述453.3
3、.2本文用到的ADAMS软件模块463.3.3建立机器人仿真模型463.3.4机器人位移仿真分析493.3.5机器人速度仿真分析503.4 本章小结504. 轨迹规划及仿真分析514.1关节空间轨迹规划算法分析514.2关节空间的轨迹规划524.3 .1 三次多项式法524.3.2 五次多项式法544.3.3 高次多项式轨迹规划554.3仿真结果及分析594.3 .1机器人仿真模型的建立594.3 .2运动学仿真分析604.3.3 轨迹规划仿真分析654.5 本章小结685四自由度串联机器人动力学分析695.1拉格朗日动力学方程简介695.1.1连杆系统动能和势能695.1.2拉格朗日动力学方
4、程705.2四自由度串联机器人动力学方程的建立715.2.1机器人动力学方程惯量矩阵Dij项的计算715.2.2向心力系数与哥氏力系数计算745.2.3重力项的计算745.2.4四自由度机器人动力学方程755.3机器人动力学仿真755.4本章小结796机器人重点受力部件的有限元分析及造型设计796.1ANSYS软件介绍796.2关键部件的静刚度有限元分析806.2.1小臂的载荷计算及有限元分析806.2.2大臂的载荷计算及有限元分析816.2.3安装板的载荷计算及有限元分析836.3四自由度机器人支架的稳定性分析866.3.1支架静力学分析866.3.2支架屈曲分析876.4本章小结907总结
5、与展望90致 谢921绪论1.1 引言机器人技术是20世纪人类最伟大的发明之一，是一种涉及到多种相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术的综合性技术。机器人是机器进化和科学技术发展的必然结果，机器人从问世到现在经过50多年的发展，在国民经济，科学研究以至整个社会领域发挥着越来越显著的作用，成为人们生活学习中的好帮手，近十年来各种用途的机器人得到了更广泛的应用，如焊接、喷漆、搬运等用于制造车间的工业机器人。特别是在医疗，服务、外空、国防等人类极限以外的领域，发挥着无可替代的作用。正是因为如此，世界上许多国家投入巨资发展机器人技术。机器
6、人技术已经形成了一门新学科机器人学（Robotics），以微电子技术为主导涉及了工程力学、计算机科学技术、机械电子工程学、自动控制理论、人工智能和生物学等多门学科为一体，是一门综合技术学科。由于机器人工作具有速度快，效率高，质量稳定，疲劳极限大，能够从事人类不能或难以胜任的工作，且能适应产品多样化等特点，因此被广泛地应用于工业、军事、医疗、娱乐、家用、地下、水下、空间等社会各个应用领域。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或移动作业任务的机械装置。机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发
7、展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。21世纪是机器人技术革命的世纪，机器人作为全面延伸和扩展人的体力和智力的手段将实现“当代最高意义上的自动化”。机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。而在非常规和极端制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。机器人主要有两大类：用于制造环境下的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人。工业机器人是一种对生产环境和生产条件具有较强的适应性和灵活性的柔性自动化装备，它主要用于现代制造业中代替人们从事繁重、重复单调、环境恶劣危险、人
8、做不了或做不好的工作，从而减轻了人们的劳动强度，改善了劳动环境，并有效地提高了生产的自动化程度，提高了产品质量和劳动生产率。工业机器人是柔性化制造系统(FMS)、自动化工厂（FA）和计算机集成制造系统（CIMS）必不可少的自动化工具，它的发展和应用情况已成为一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。机器人的应用主要有两种方式：一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国内外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和
9、强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。1.2机器人研究现状及发展趋势现代机器人技术的研究开始于20世纪50年代，当时计算机科学技术、机械电子技术，自动化控制技术的发展为现代机器人的发展提供了有利的条件。1960年到1970年是机器人技术的缓慢发展阶段，许多科研院校和个人都对机器人技术进行了研究，投入了大量的人力，物力，材料但都没有取得突破性进展，但还是取得了一些成果，主要成果是斯坦福研制的移动式机器人。到了80年代末期，对于传统的机器人生产量供过于求，结果导致国际机器人产业出现不景气，机器人产业进入了缓慢发展的时期。进入21世纪以来国际机器人处于比较稳定
10、的发展阶段。世界上第一台机器人诞生于美国，美国研究机器人的时间比日本还早，现在已经成为世界上工业机器人技术研究的强国之一，在技术上遥遥领先。日本虽然比美国研究机器人的时间晚，但是发展很快，日本被称为“机器人王国”，其工业机器人的数量远远超过世界上其他的国家，位于世界第一。到了20世纪80年代日本的机器人技术得到了迅速发展，处于鼎盛时期，机器人逐渐应用于各个生产部门，工业机器人有了巨大的发展，机器人制造业成为发展最快的和最好的经济部门之一，带动了国民经济的发展。从上个世纪90年代中期开始，相比世界上其他国家和地区，欧洲和北美对机器人技术的研究进入了迅速发展时期。到了21世纪，国外机器人技术已经日
11、趋成熟，被工业界广泛采用，有的已经成为机器人设计方面的参照标准和设计标准。目前世界上著名的制造工业机器人公司主要有、等，这些公司成为当地的支柱性产业，带动当地经济快速发展。目前，机器人自动化生产线已经广泛使用于汽车、电子、物流、仓储行业，提高了生产效率和产品的质量。我国于19世纪70年代年开始研制工业机器人，当时在许多科研单位和院校建立了研发中心，开始了机构学，计算机控制应用技术的研究，在应用方面，二汽建立的东风汽车驾驶室的喷漆生产线，已经成为国产机器人运行的一个窗口，并建立了点焊机器人工作站，成功研制了Z装备机器人的样机模型。相对于世界上其他国家服务型机器人，我国的服务型机器人发展比较慢，落
12、后于其他国家服务型机器人研究技术。科学技术是第一生产力，为了加快我国在机器人研究方面的发展，特别是七五计划，863计划，在国家的重点技术支持下，我国的机器人在机器人基础技术，机器人的单元技术、运动学，机器人控制装置的研制，取得了重大发展，加速我国工业机器人技术的发展。我国的机器人技术和国外相比起步比较晚，技术相对比较落后，目前主要研究用于生产线上工业机器人、为完成某项特定任务而专门开发的特种机器人、带有自动识别系统的智能机器人，并在这些方面取得了显著成就，为以后各种用途机器人的研究奠定了基础。如今机器人在很多方面被人们应用。尤其是在汽车制造、机械制造、集成电路、数字加工等主要依靠人工操作的大规
13、模的生产企业、一些对人类具有很大危害性的行业、质量和要求比较高的行业，逐渐取代了人工操作，提高了效率，降低成本，工业机器人在越来越多的行业发挥着巨大的作用，得到了广泛的应用。2005年，据不完全统计美洲地区汽车行业所需求的工业机器人占其他所有行业所需工业机器人总数的五分之三。当时在亚洲汽车行业零部件加工需求的机器人占其他所有行业所需机器人的三分之一，居于各行业之首。在发达国家，工业机器人技术已经取得了非常广泛的应用，据统计截止到2004年底，世界范围内的工业机器人实际装备总量为847,764台，其中日本为356,483 台，约占全世界装备总量的42%，美国为114,531台欧洲为278,906
14、台。在欧洲国家中，德国工业机器人装备量居首位，为120,544 台，意大利和法国分别为53,244 台和28,133台。在亚洲，韩国的机器人产业发展迅速，2004 年底其工业机器人装备总量约为51,302台。就机器人密度（即制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量）而言，日本、德国和韩国的机器人密度居世界前三位。近年来国外工业机器人技术的研究发展和应用主要有如下几个趋势：1、工业机器人在制造业的应用范围越来越广阔，并向食品、核能、矿业和建筑等工业新领域扩展。汽车制造业一直以来都是机器人技术最主要的应用领域，但在2004年，这一趋势发生了重大改变。据统计，2004 年世界范围内非汽车行业的工业机器
15、人订单量增长了近42%，而汽车整车制造业增长不到1%，汽车配件行业增长了19%。在北美和亚洲，非汽车行业的订单量分别增长了72%和42%。在机床、橡胶、食品、包装和塑料等行业领域，机器人的需求量将进一步增长。2、工业机器人的价格不断下降，而性能则不断提高，趋向于高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维护等方面。统计数据显示，2003年一台工业机器人的平均价格只相当于1990年同等性能机器人平均价格的四分之一，在美国，机器人与劳动力相比的相对价格已经从1990 年的100 降到了2003 年的28，如果考虑机器人质量的改进，则可下降到12。不断下降的机器人相对价格和日益减少的劳动力成本成为机器人投资增长的主要驱动力之一。3、机器人控制系统向基于PC 的开放式机器人控制器方向发展，开放化、模块化和标准化设计成为主要发展方向，人机界面更加友好。采用系统的观点来发展新型机器人控制系统，研究机器人协作控制，多智能体调控技术成为新兴研究领域。4、机器人编程语言趋于通用化。ABB 公司开发的RAPID 通用模块化编程语言提供了强大的编程功能和友好的用户界面，该公司生产的大部分机器人产品都采用
