六自由度機器人運動分析及優(yōu)化.doc

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本 科 畢 業(yè) 論 文（設 計） 題目（中文） 六自由度機器人運動分析及優(yōu)化 （英文） Motionanalysis and optimization of 6-DOF robot 學 院 信息與機電工程學院 院 年級專業(yè) 2013級汽車服務工程（中德） ） 學生姓名 吳子璇 正 學 號 130154494 7 指導教師 安康 安 完 成 日 期 2017 年 3 月 摘要 當今世界，工業(yè)化日趨成熟，機器人被廣泛的應用于各行各業(yè)，最常用到的有四自由度，六自由度機器人。其中，自動化水平較高的汽車制造業(yè)和電子裝配業(yè)經常常常要使用到六自由度機器人。因此對其實施運動學分析，是進行科學設計的基礎，也是降低機器人生產成本，優(yōu)化機器人運動軌跡的前提。此外，運動分析過程有效的模擬了機器人運動的真實情況，有助于提供有效可行的優(yōu)化方案。 本文主要探討六自由度機器人的運動分析，基于經典運動學以及動力學的研究方法概念，首先通過solidworks做出機械臂各部分零件的三維圖，然后通過SolidWorks裝配出六自由度機器人機械臂的三維模型。 通過該模型，選取其中一個關節(jié)和底座，并用SolidWorks進行運動學分析，對六自由度機器人的運動學和動力學計算方法進行了仿真驗證。 最后得到六自由度機器人的其中一個自由度的運動仿真實例。通過對該運動仿真實例的分析，得出最佳優(yōu)化方案，優(yōu)化機器人的運動軌跡提高機器人的工作效率，降低機器人生產成本。 關鍵詞：六自由度機器人；運動分析；運動學；動力學； 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 課題背景及研究的目的和意義 1 1.2機器人國內外發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望--------------------------1 2 六自由度機器人運動學分析 1 2.1六自由度機器人的結構-------------------------------------1 2.2運動學分析----------------------------------------------1 3 六自由度機器人動力學分析 3 3.1綜述----------------------------------------------------3 3.2機器人動力學研究方法------------------------------------3 3.2.1幾項假設-------------------------------------------3 3.2.2目標-----------------------------------------------4 3.2.3數(shù)學工具-------------------------------------------5 3.3動力學原理----------------------------------------------3 3.3.1動量矩定理---------------------------------------------------------------6 3.3.2能量守恒定理--------------------------------------6 3.3.3牛頓—歐拉方程------------------------------------7 3.3.4達朗貝爾原理--------------------------------------8 3.3.5拉格朗日方程--------------------------------------9 4 六自由度機器人運動分析 3 4.1運動分析的軟件背景---------------------------------------3 4.2運用solidworks建立六度機器人機械臂三維模型--------------9 4.3運用Solidworks對進行運動學分析-------------------------4 5 結論 4 參考文獻 5 1 緒論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 新世紀以來，在越來越多的對于自動化，機械化要求較高的領域都需要用到機器人。其中，又以四自由度和六自由度機器人的用途最為廣泛。機器人的研究發(fā)展涉及多個學科領域，是帶動社會生產力發(fā)展的強大推動力。綜合看來，機器人的時代很快就要來臨，機器人革命很有可能成為第三次工業(yè)革命。機器人產業(yè)呈現(xiàn)爆炸式增長，該產業(yè)被大量投入到汽車制造和電子裝配等產業(yè)。通過國際機器人協(xié)會提供的數(shù)據(jù)估計來看，截止到2020年，全球用于工業(yè)生產的機器人產量很有可能高達150萬。中國的現(xiàn)代化進展迅猛，在中國發(fā)展的大力推動下，中國乃至亞洲即將成為一個極具發(fā)展活力的龐大的機器人市場。 動力學是在機器人的設計過程中必不可少的一個重要考慮因素，本文通過SolidWorks對機械臂進行三維建模，進而通過SolidWorks Motion做運動學仿真，據(jù)此來分析機器人運動過程的動態(tài)特性，這是后續(xù)的運動控制、及優(yōu)化設計有效的數(shù)據(jù)支撐，能夠有效規(guī)避產品研發(fā)周期過長的情況。 1.2機器人國內外發(fā)展現(xiàn)狀及前景 我國在機器人方面的探究工作起步較晚于日本及歐美國家，我國的機器人研究起步于1980年前后。由于機器人科技的研究與發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義，因此從那時起，我國就將機器人的研究應用作為重要研究對象。經過數(shù)十年的不懈努力，我國已有多所高校和研究院都能夠獨立對機器人進行研究和研發(fā)。高校和研究院由于掌握著豐富的教育科技資源，是非常好的機器人研發(fā)平臺。由于缺乏經驗和技術支持，早期的機器人研究項目很大一部分依賴于借鑒國際上先進的機器人研究技術，到現(xiàn)在為止，我國在機器人上的研究已經頗有建樹。較為值得一提的研究成果如下：無纜深潛機器人,遙控移動作業(yè)機器人,2000年國防科技大學研制的兩足類人機器人,北京航空航天大學開發(fā)出的三指靈巧手等。 然而，盡管近年來機器人產業(yè)發(fā)展勢若破竹，我國的機器人行業(yè)存在著自主研發(fā)能力孱弱，政府補貼不夠完善，由于盲目投資導致的低端產能過剩的情況。雖然存在這些不足，我國的機器人市場還是很具發(fā)展?jié)摿Φ?。另一方面，我國機器人行業(yè)的爆發(fā)式增長也是時代發(fā)展的需求。在發(fā)展中國家中，我國是最具活力潛力的大國經濟體，盡管我國經濟正處于高速增長時期，但是我國和日本一樣正邁入一個老齡化社會，勞動力正日益減少，因此我國迫切需要加大對機器人的研究力度。 我國機器人行業(yè)有以下幾個顯著特征： 第一，機器人技術對于我國由制造大國向制造強國轉變尤為重要，政府應該加大對國內機器人在政策與經濟上的扶持力度，積極借鑒海外優(yōu)秀經驗，全力擴大創(chuàng)新與技術投入。 第二，國家的科技發(fā)展總方針中，鼓勵創(chuàng)新型的機器人項目，調動創(chuàng)造積極性。應大力支持機器人研發(fā)與機器人應用，以此協(xié)調產品的生產及自動化。 第三，一些國內制造的機器人其技術水平已經能夠和國外分庭抗禮，企業(yè)采購時應綜合考慮，不能盲目買國外的機器人。 現(xiàn)在，我國各行各業(yè)對“用機器人代替人工作”的呼聲越來越高。我相信，只要國家高度重視機器人業(yè)的發(fā)展，改變機器人生產的基本架構，將重心放在機器人技術的自主研發(fā)上，充分利用高校，研究院，企業(yè)等前端研究平臺，加快機器人產業(yè)創(chuàng)新建設，一定可以破解機器人行業(yè)共性的難題，作為代表時代科學技術發(fā)展最前端的機器人發(fā)展前景甚是喜人。 到目前為止，我國已經擁有超過4000臺成熟的機器人，這些機器人主要被用于一些科學技術發(fā)達的地區(qū)，國際范圍內的機器人大概有83萬，往往是位于歐美，日本等發(fā)達國家。在對其研發(fā)方面，我國目前到達的技術水平尚不能與發(fā)達國家的技術水平持平。 美國是世界上首個成功研究出機器人的國家。美國能夠躋身機器人強國之列并非浪得虛名。美國在機器人方面不僅起步早，而且其原有技術研發(fā)，創(chuàng)新實力雄厚，各方面技術水平在全世界都堪稱第一。 日本對工業(yè)機器人的研發(fā)比美國稍晚約五年左右，但是日本本國的工業(yè)機器人產業(yè)發(fā)展勢頭強勁，很快就躋身世界機器人強國之列，從一個機器人弱國搖身變?yōu)椤肮I(yè)機器人王國”。日本的工業(yè)機器人各個方面如生產、出口和使用上的發(fā)展在世界上都遙遙領先。不僅如此，日本的工業(yè)機器人保有量長期以來遠遠高于其它國家。 相比之下，歐美各國的機器人保有量雖然增長趨勢較為緩慢但一直亦呈現(xiàn)上升趨勢，近年來才慢慢開始有了較大的增長。 德國是除日本和美國之外的第三大工業(yè)機器人強國，其掌握著對智能機器人的研究和應用最核心也最為先進的技術。 最常見的機器人有六自由度以及四自由度機器人。按照ISO對其的定義：工業(yè)機器人是一種有著較多功用的、能夠反復編程的自動控制操作機(Manipulator)，有著超過3個以上編程的軸，使用于工業(yè)自動化行業(yè)中。為實現(xiàn)相應的功能，機器人最后一個軸的接口，往往為一個連接法蘭，能夠裝置不同的器械。 對機器人的定義是:“一種自動定位控制、能夠反復進行編程的、多功用以及多自由度的機器。可以通過一定的設計去完成各種作業(yè)?！? 而目前六自由度機器人被廣泛地用于各行各業(yè)，且隨著社會的進步和發(fā)展，日新月異下對六自由度機器人提出更多的新的需求和要求。因此，對六自由度機器人的運動進行研究具有非常重要的意義。 2 機器人運動學分析 2.1六自由度機器人的結構 相對于四自由度機器人，六自由度機器人具有六個自由度。六自由度機器人的機械臂具有底座，轉臺，大臂、肩部、小臂、手腕、末端執(zhí)行器七個部分。六自由度機器人的六個自由度為：轉臺回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉、手腕俯仰以及手腕回轉。詳見圖1.1。 圖1.1 機械臂的六個關節(jié)的運動是有一定的局限的，如圖1.2 圖1.2 2.2運動學分析 機器人運動學研究主要包括兩個方面的問題，一個方面是正運動學問題，另一個方面是逆運動學的問題。正運動學問題中，我們把關節(jié)變量當做是已知變量，通過正運動學方程來確定機器人機械臂的位姿。然后通過逆運動學方程，計算求得每一關節(jié)變量的值。使用逆運動學設法找到運動方程的逆，該方程中沒有己知變量，所以不能使用將已知量代入正向運動學方程求解的方法。逆運動學通過求得的運動方程的逆，進一步求得我們要算的那個關節(jié)變量，這樣機器人才能處于我們想要得到的位姿。 實踐表明，逆運動學分析比正運動學分析更加重要，機器人內部有控制器，控制器計算關節(jié)值時需要用到這些方程，并以此來運行機器人，這樣機器人就能到達期望的位姿。 六自由度機器人的位置逆解問題是機器人領域的一個難題也是非常熱門的一個問題。逆解方程中得到的輸出方程在理論研究方面意義重大。實際應用方面，逆解方程也是機器人軌跡規(guī)劃和運動分析的基本條件。 3 六自由度機器人動力學分析 3.1綜述 若要對其進行運動狀態(tài)的分析，就需要一個媒介來清楚地表示機器人的運動軌跡。三維空間物體的運動軌跡怎樣才能直觀地表示出來呢，三維空間的點線面應該用什么媒介才能表達清楚呢，答案是矩陣?？臻g坐標系能夠使用這個坐標系相對參考坐標系的三個方向向量以及一個位置向量進行表示。在空間坐標系也就是所謂的笛卡爾坐標系中，剛體的所處位置能夠使用三個方向向量以及一個位置向量的空間坐標系來表示。 3.2機器人動力學研究方法： 3.2.1幾項假設 1、機器人的所有零部件都被視作剛體，不考慮其彈性形變。 2、間隙等因數(shù)不在考慮范圍內。 3、機器人驅動系統(tǒng)不屬于考慮因素。 3.2.2目標 通過對六自由度機器人的結構特點、以動力學原理為指導理論，由此快速建立運動學方程。 3.2.3數(shù)學工具 矢量方法、慣性矩陣及矩陣方法等。 3.3力學原理 力學原理分為：動量矩定理、能量守恒定理、牛頓－歐拉方程、達朗貝爾原理、拉格朗日方程、哈密爾頓原理、凱恩方程等。 3.3.1動量矩定理 積分形式的動能定理 假定參考系為質點系，質點的質量記為mi，該質點受到的外力求和記為和內力求和記為共同施加的力的作用，記加速度為，做曲線運動在某點瞬時的速度為 式中dAi（e）和dAi（i）分別為質點i上外力和內力的元功。 T2-T1=∑dAi（e）+∑dAi（t）（1） 式中T1，為質點系的做工初始動能；T2為質點系做功終了動能。 式（1）是質點系的動能定理的積分形式，該式的含義是:質點系總動能的變化量等于它所受內外力做功總和。 質點系動能定理的微分形式： 將式（1）兩邊除以dt，得： （2） 式中為外力的功率；為內力的功率。 式（2）是質點系的動能定理的微分形式，它表明；質點系的總動能單位時間內的變化等于質點系所受外力合理單位時間內做功和。根據(jù)質點的定義，質點也屬于質點系的一種，對質點分析時，該定理同樣適用。有趣的是，質點和剛體，內力所做功的總和始終為零，質點的定義決定其不受內力作用，而剛體始終受一對等價力的作用，因此，他們內力所做的功始終為零。 3.3.2能量守恒定理 能量守恒定律也就是熱力學第一定律，是指在一個不與外界發(fā)生任何形式能量的交換的系統(tǒng)也即是我們常說的密閉系統(tǒng)中，系統(tǒng)總能量是一個定值。其中總能量不僅僅指狹義的將動能與勢能相加，這個時候不能忽略靜止能量，三者相加才是總能量。 3.3.3牛頓—歐拉方程 在理想狀態(tài)下，即滿足我們假設條件的情況下，我們必須加速或減速運動桿件，其所需要的力或力矩是所需加速度和桿件質量分布的函數(shù)；牛頓方程和用于轉動情況的歐拉方程一起，描述了機器人驅動力矩、負載力（力矩）、慣量和加速度之間的關系。 3.3.4達朗貝爾原理 其定義為：對任何一個物理系統(tǒng)來說，其中的慣性力以及外界提供的力，通過符合約束條件的虛位移，最后的虛功的總和為零。 受約束非自由質點所受的力包括主動力F以及約束力FN，若是加上慣性力，則有著以下公式： （1） 也就是在質點運動的任何一個時刻，主動力、約束力以及慣性力三者間組成了平衡力系。上式即為具體的表述。對質點上都賦予虛構慣性力，那么每個質點均位于平衡狀態(tài)，即： Fi+FNi+FIi=0（i=1,2,…,n） （2） 達朗貝爾一開始建立的公式和式（1）有所差異。將主動力F劃分成兩塊內容：F(1)讓質點獲得加速度，即，叫做有效力；為克服約束力。 達朗貝爾原理和質點靜止時的平衡方程在公式方面是一致的。若是把之前的F(1)、F(2)的表達式進行代入的話，就能夠獲得： 和式（1）一樣，都和牛頓第二定律相同。[1] 達朗貝爾原理公式如下 3.3.5拉格朗日方程 拉格朗日方程：在完整系統(tǒng)的大環(huán)境下，動力方程可以由廣義坐標表示。 我們常說的拉格朗日方程區(qū)別于第一類，叫做第二類拉格朗日方程。通?？蓪懗桑? 式中T為系統(tǒng)中用各廣義坐標qj和各廣義速度qj所表示的動能；Qj為對應于qj的廣義力;N(=3n-k)為這個完整系統(tǒng)的自由度；n為系統(tǒng)的質點數(shù)；k為完整約束方程個數(shù)。 4 六自由度機器人運動學分析 4.1運動學分析的軟件背景 是目前使用十分普遍的一種繪圖軟件，是一款與ADAMS有異曲同工之妙的動力學仿真應用軟件，它屬于SolidWorks的一個插件。 為虛擬原型機仿真工具，對機械臂可以完成運動學以及動力學仿真，能夠準確而直觀地速度，角速度，加速度，角加速度，位移等運動參數(shù)。并且輸出結果可以用多種形式表示比如記錄一段動畫或者生成一張圖表等。 此外，在載荷復雜的運動情況下，SolidWorks不能獨立完成對裝配體的分析，我們可以將裝配體的復雜載荷輸入其他可以進行運動學分析的軟件如Adina,ADAMS等，由此得到裝配體剛度強度更加直觀的資料。 支持同軸心配合、螺旋配合、平行配合、水平配合等各種配合模式。 能夠根據(jù)速度、位移、角度等去定義出較為簡單的運動，也可以通過各種樣條曲線來完成對復雜運動的界定。 Solidworks Motion可以用來模擬給裝配體施加各種外力的情況，如力矩，諧波等，也可以用來模擬裝配體受到各種復雜外力的情況。 所以一些繁瑣的系統(tǒng)的運動仿真就能夠利用進行構建。本篇論文首先采用做出機械臂三維模型，然后節(jié)取機械臂的一個關節(jié)與底座，運用 Solid Works Motion進行機械臂的運動學和動力學仿真。 4.2運用solidworks建立六度機器人機械臂三維模型 首先用SolidWorks制作出機械臂各零部件的三維模型。將所有模型通過同軸心，面面重合等配合方式完成裝配。 4.3運用Solidworks對進行運動學分析 首先啟動SolidWorks， 新建裝配體。 將做好的機械臂圖紙中的底座和關節(jié)導入，如圖。 設置底座的初始位置。這樣就可以形成一個仿真環(huán)境。 設置仿真的基本參數(shù)，如角速度，角加速度，速度，幀數(shù)，力和時間的單位等。 將底座和關節(jié)通過同心軸和重合完成裝配。 選擇運動算例。 選擇添加馬達，馬達類型選擇旋轉馬達，并將馬達添加在底座凸臺的下表面。 SolidWorks中的馬達，不僅可以實現(xiàn)對裝配體單位時間內運動情況的把控，還可以通過修改馬達相關參數(shù)，進一步修改裝配體的時間參數(shù)如位移，角速度，加速度，速度等。 [零部件/方向] 選擇底座曲面面，方向為順時針方向，旋轉角度為360度。 要相對此項移動的零部件選擇關節(jié)凸臺的上表面。 勾選完成并點擊播放鍵。 在運動算例中，我們可以調整幀數(shù)時間間隔及幀數(shù)，以此匹配我們的裝配精度，利用SolidWorks motion的馬達選項使關節(jié)旋轉。 結論 本文主要對垂直關節(jié)型六自由度機器人的運動進行分析，。本文的主要工作包括以下幾個方面： （1） 對機器人現(xiàn)狀及發(fā)展進行背景調查，得出對機器人運動分析的意義所在。 （2） 探究六自由度機器人與四自由度工業(yè)機器人的概念甄別，并得出六自由度機器人結構特征。 （3） 探究運動學原理及公式，并在運動分析時應用。 （4） 運用SolidWorks建模并作圖，為運動學分析提供直觀依據(jù)。 （5） 根據(jù)運動分析的結果，對六自由度機器人的運動進行優(yōu)化并提出優(yōu)化方案。 參考文獻 [1] 山東大學機械工程學院機電研究所第八講機器人動力學[M] [2]周會成, 正軍. 六自由度機器人設計及動力學分析[J]. 機器人, 2014, 42(9): 55-79 [3] 周科. 六自由度機器人設計與軌跡規(guī)劃方法研究[D]. 哈爾濱:周科, 2013. 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