自由度机器人结构设计.doc

六自由度机器人结构设计、
运动学分析及仿真
学 科：机电一体化
姓 名： 袁杰
指导老师：鹿毅
答辩日期： 2012.6
摘要
近二十年来，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.我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此
研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义
的.
典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在
生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项
目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人.
首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面.这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据.最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了
经验.
第1 章绪论
1.1 我国机器人研究现状
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.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的.1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划.1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中.目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所.最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就.主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等.残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全
世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家.在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
1.2 工业机器人概述：
在工业领域广泛应用着工业机器人.工业机器人一般指在工厂车间
环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人.工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机.能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业.”彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
操作机定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物
体或进行其它操作的机械装置.”
一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系
统、传感系统、通讯接口等几部分组成.一般多自由度串联机器人具有4～6 个自由度，其中2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
1.3 研究课题的提出
本研究课题是根据省教育厅《物流机器人操作研究与开发》课题的
需要而提出的.工业机器人在FMS 中的一种典型应用如图1-1 所示.

图 1-1 工业机器人的一种典型应用
工业机器人固定在机床或加工中心旁边，由它们完成对加工工件的
上、下料和装夹作业，通过输送线运送工件，实现物流的运转.当所要加工的产品放生变化、工件工艺流程改变时，就要调整柔性制造系统的布局.现在设想，将工业机器人固定在自动引导车（AGV）上，改变自动引导车的轨迹，就可以适应工件和工件工艺流程的变化，大大提高加工系统的柔性.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
设想的机器人工作方式如图 1-2 所示
图 1-2 可移动式机器人的应用
此外，对于这类小型的机器人，在原理不变的情况下，改变其结构，
增强人机功能，将它固定在小型的移动装置或直接与移动装置结合成一体，就可以应用到日常生活中，如生活中物体的搬运、人员的看护等.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
因此，设计开发这样一种可移动式、多自由度的小型机器人是有实
际意义的.
1.4 本论文研究的主要内容
作者系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国
内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解.在此基础
上，结合作者本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，主要进行以
下几项工作：
(1) 进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计.
(2) 进行机器人静力学学分析，
(3) 分析机器人操作臂的工作空间，根据分析结果对操作臂各个杆
件的长度进行选择和确定.
第2 章 机器人方案的创成和机械结构的设计
2.1 机器人机械设计的特点
串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处.首
先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链.开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法.末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响.因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差
和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响.因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计.
再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要
考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的.
另外，与一般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、
灵巧性方面有更高的要求.
2.2 与机器人有关的概念
以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念.
1 自由度：工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常
有移动副和转动副两种.相应地，以转动副相连的关节称为转动关节.
以移动副相连的关节称为移动关节.在这些关节中，单独驱动的关节称
为主动关节.主动关节的数目称为机器人的自由度.
2 机器人的分类
机器人分类方法有多种.
(1) 按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型（PTP），连续
轨迹控制型（CP）：（a）点位控制型（Point to Point Control ）：机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作.例如籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
机器人在进行点焊时的轨迹控制.
（b）连续轨迹控制型（Continuous Path Control ）：机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
(2) 按机器人的结构分类，可分为四类：
（a）直角坐标型：该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂
直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有耦合，不会产生奇异
状态，刚性好、精度高.缺点是占地面积大、工作空间小.
（b）圆柱坐标型：该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转
动关节，以q, r, z为坐标，位置函数为P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂径向长度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂绕垂直轴的角位移.这种形式的机器人占用空间小，结构简单.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。
（c）球坐标型：具有两个转动关节和一个移动关节.以q,f, y 为坐
标，位置函数为P = f (q ,f, y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
（d）关节坐标型：有垂直关节型和水平关节型（SCARA 型）机器
人.前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差.
(3) 按驱动方式分类：
按驱动方式可分为：（a）气压驱动；（b）液压驱动；（c）电气驱动.
电气驱动是 20 世纪90 年代后机器人系统应用最多的驱动方式.它
有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染
环境等优点.
(4) 按用途分类：
可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削
加工机器人和特种用途机器人等.
2.3 方案设计
2.3.1 方案要求
如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和
日常生活中的持物、看护等.能够固定在移动装置（如AGV）上，以实现灵活移动.要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在5~6 个，结构紧凑，重量轻.采用电动机驱动，设计负重为6公斤，手爪开合范围5 mm～100 mm.擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
2.3.2 方案功能设计与分析
a 机器人自由度的分配和手臂手腕的构形
手臂是执行机构中的主要运动部件，它用来支承腕关节和末端执行
器，并使它们能在空间运动.为了使手部能达到工作空间的任意位置，
手臂一般至少有三个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个.手臂的结构形式有多种，常用的构形如图2-1.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
本课题要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置和姿态，同时要
结构简单，容易控制.综合考虑后确定该机器人具有六个自由度，其中手臂三个自由度.由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间（手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比）和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此该型机器人采用关节型机器人的结构.坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。

图 2-1 几种多自由度机器人手臂构形
手腕的构形也有多种形式.三自由度的手腕通常有以下四种形式：
BBR 型、BRR 型、RBR 型和RRR 型.如图2-2 所示.

四种三自由度手腕构形
B 表示弯曲结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程
中相互间角度有变化.R 表示转动结构，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变.BBR 结构由于采用了两个弯曲结构使结构尺寸增加了，BRR、RBR 前者相比结构紧凑.蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。
旋转关节相对平移关节来讲，操作空间大，结构紧凑，重量轻，关节
易于密封防尘.这里使用了六个旋转关节，综合各种手臂和手腕构形，
最后确定其结构形式如图2-3.

图 2-3 该型机器人构形
前三个关节决定了末端执行器在空间的位置，后三关节决定了末端
执行器在空间的姿态.
b 传动系统的布置
总体结构方案确定后，作出机器人结构草图.在传动系统的布置方
面，尝试了多种不同的方案.主要有以下几种，见图2-4.
方案 1(图2-4a)传动链最短，诱导运动少.但手腕结构尺寸大，重量
大，腰部结构复杂.方案3(图2-4c)、方案4(图2-4d)腰部结构简单，便
于应用重力进行力矩平衡，但大、小臂结构复杂，传动链长，诱导运动
多，方案2(图2-4b)传动链短，手腕重量轻，结构紧凑.综合考虑，最后
确定方案2 为较优方案，根据该方案进行机械结构设计.
c 方案描述
该机器人固定在自动引导车（ AGV）上.这种AGV 可以实现水平方
向两个自由度的运动，导航方式有多种，如磁导航、激光导航、程序自
动轨迹控制等方式，因此，该机器人有运动自由灵活的特点.
机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动
装置组成.共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、
手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆.
机器人采用电动机驱动.这种驱动方式具有结构简单、易于控制、
使用维修方便、不污染环境等优点，这也是现代机器人应用最多的驱动
方式.
为实现机器人灵活自由地移动，驱动系统使用了蓄电池供电.电动
机可以选择步进电机或直流伺服电机.使用直流伺服电机能构成闭环控
制，精度高，额定转速高，但价格较高，而步进电机驱动具有成本低，
控制系统简单的优点.确定这种机器人的6 个关节都采用步进电机驱动，
开环控制.
由于大臂俯仰和小臂俯仰运动的力矩很大，分别为 150Nm 和27Nm
左右，如果使用电机直接驱动的话，要求电机的输出扭矩很大，因此考虑在大臂关节和小臂关节处使用减速器.常用的减速器有行星减速器和谐波减速器等.谐波减速器具有传动比大、承载能力强、传动平稳、体积小、重量轻的优点，已广泛应用在现代机器人中.因此在大臂和小臂关节处使用了谐波减速器，减速比分别为1:100 和1:50，使用的步进电机输出扭矩分别为3.7Nm和1.0 N m .買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
在现代机器人结构中广泛使用着各种机器人轴承，常用的有环形轴
承和交叉滚子轴承.这几种机器人专用轴承具有结构简单紧凑，精度高、刚度大，承载能力强（可承受径向力、轴向力、倾覆力矩）和安装方便等优点.但考虑到这些轴承价格昂贵，而使用普通的球轴承或滚子轴承也能满足结构的需要，所以在该机器人的结构中仍然全部采用球轴承.在电机的布置上，考虑尽量将电机放置在相应的操作臂的前端，这样可以减小扭矩，同时也可以起到重力平衡的作用，但同时尽量避免过长的传动链，以简化结构，减少诱导运动.綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。
参考同类机器人的运动参数，结合工作情况的需要，定出该型机器
人的运动参数如下：
关节 1（ T ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)
关节 2（ W ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)
关节 3（ U ）： 60 o/s (1.047 rad/s) (10 r/min)
关节 4（ C ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min)
关节 5（ B ）： 120 o/s (2.094 rad/s) (20 r/min)
关节 6（ S ）： 180 o/s (3.142 rad/s) (30 r/min)
最大加速度：2 m/s2
各关节转动范围：
关节 1（ T ）： -360 o ～ +360 o
关节 2（ W ）： - 90 o ～ + 90 o
关节 3（ U ）： -60 o ～ +210 o
关节 4（ C ）： -360 o ～ +360 o
关节 5（ B ）： - 90 o ～ + 90 o
关节 6（ S ）： -360 o ～ +360 o
2.4 方案结构设计与分析
该机器人的本体组成如图 2-5.

各部件组成和功能描述如下：
(1) 底座部件：
底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等.底座部件
固定在自动引导车（AGV）上，支持整个操作机，步进电机固定在底座
上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，同时起到减速作用.
(2) 腰部回转部件：
腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电
机、制动器等.作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动.在腰部支架上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。
(3) 大臂部件：包括大臂和传动部件.
(4) 小臂部件：包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小
臂前端（靠近大臂的一端）固定驱动手腕三个运动的步进电机
(5) 手腕部件：包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等
(6) 末端执行器：
为抓取不同形状、不同材质的物体，末端执行器设计得开合范围比
较大，为0～100mm.考虑在指尖的平面上贴传感器片，进行力的控制.
设计了两种手爪.
两种手爪都采用电机驱动，平行开合机构.方案 1 采用了左右旋螺
杆，同一根螺杆一端为左旋螺纹，另一端为螺距相同的右旋螺纹，当螺
杆转动时，两只螺母带动左右两个手指同时开合，燕尾导轨定向.
方案 2 的运动机构采用平行四连杆机构.方案2 比方案1 重量轻，
被夹持物到手腕的高度尺寸大，刚度略差.使用了蜗轮蜗杆机构起到减
速和增大扭矩的作用.两种手爪使用同样的与手腕连接的机械接口.