四自由度机器人设计及运动学动力学分析.doc

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212.2.5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453.3.2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了该种编程语言。最近美国机器人空间开发公司开发了Robot Script 通用机器人编程语言，该语言简单易学，通用性强，可运行于该公司生产的通用机器人控制器URC 中。5、机械结构趋向于模块化、可重构化，应用类型以关节型为主。2004 年世界范围内新装备的机器人中，关节型机器人占62.5%，SCARA（平面关节型）机器人占11.6%，而美国2004 年新装备机器人中关节型机器人所占比例高达90%，欧洲为74%。6、机器人朝着智能化方向发展，传感器作用日益重要。除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接、遥控机器人还应用了视觉、力觉、触觉等传感器，多传感器的融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。行之有效的多传感器融合算法，特别是非线性及非平稳、非正态分布情形下的多传感器融合算法是传感器技术的研究重点。7、机器人机构技术方面重点研究新的机器人结构和功能，以及新的设计方法，探索新的高强度轻质材料，进一步提高机器人的动态性能。8、虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制9、机器人遥控、监控技术朝着人机交互控制方向发展，遥控加局部自治系统遥控机器人的发展使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。10、机器人化机械开始兴起。自1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来机器人化机械便成为新兴研究方向。机器人化机械研究主要包括并联机构机床(VMT)、 机器人化加工中心(RMC)、机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备的研究开发等。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。我国政府非常重视机器人技术的研究和发展。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。“七五”期间，国家投入相当资金，进行工业机器人基础技术、基础元器件、工业机器人整机及应用工程的开发研究。经过五年攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷漆、点焊、弧焊和搬运等作业机器人整机，几类专用和通用控制系统及几类关键元部件的主要性能指标达到80 年代初国外同类产品水平，并且形成小批量生产能力。从20世纪90年代初期起，我国的工业机器人又迈出了一大步，通过“八五”、“九五”和国家“863”计划支持的应用工程开发，第一代工业机器人设计、制造和应用技术已趋于成熟。目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术及运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，研制出喷漆、点焊、弧焊、装配、切割、包装、码垛、搬运等各种用途的作业机器人，并实施了一批机器人应用工程，建立了一批机器人产业化基地，锻炼和形成了一大批机器人研究开发应用队伍。我国的智能机器人在“863”计划的支持下，也取得了一大批科研成果，在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上有了一定的发展。目前，我国工业机器人已应用于汽车、摩托车、机械制造、电子电器、工程机械、石油化工等行业。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，华南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。但是，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平与国外还有一定的差距。我国尚未形成真正的机器人产业，机器人产品品种少，应用范围窄，机器人标准化程度低，可靠性低于国外产品。与机器人产业发展密切相关的关键部件交流伺服电机、精密减速器还没有相应产业的支持，新产品开发主要依赖于国家科研计划及基金的支持，不能形成研发面向市场、市场支持研发的良性发展。在应用规模上，我国到2004 年底已安装的工业机器人台数为7096台，只占全世界装备总数的0.84%，与国外发展水平有较大差距。而在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等方面的开发应用则刚刚起步。目前我国机器人总体技术仅相当于国外20世纪80 年代初的水平。 根据国内外机器人发展的经验和现状，结合当前国内经济发展的具体情况，我国的机器人技术将重点开展开放式机器人控制器、智能机器人和机器人化机械的开发研究；开展以机器人为基础的重组装配系统及其相关技术的开发研究；加强工业机器人应用工程的开发，并围绕应用工程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；加强多传感器融合及决策、通用型机器人编程语言的研究。重点解决我国已研制应用多年的示教再现型工业机器人的产业化前期关键技术，大力推进其产业化进程。我国的工业机器人主要是采取借鉴国外的先进技术，然后进行二次开发，创新比较少，制造基础零部件的能力差，缺少自己的品牌，鼓励性政策少，我国必须以市场为导向，发展一批具有核心竞争力的产品，对发展工业机器人专门立项，加速我国工业机器人的发展。近几年的我国的机器人自动化生产线已经出现，逐渐成为机器人自动化生产线的主要方式，国内制造装配业正在由传统的向机器人自动化生产转型。我国现有工业机器人生产厂家由于技术条件、资金条件等客观和主观因素的影响，导致其生产规模较小，机器人的品种单一，性价比低，研发的高科技机器人比较少，远远不能满足市场的要求。如果想占领国内市场，就必须采取相应的措施，发展科学技术，努力提高机器人的质量，提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本以适应现代竞争的社会。目前我国为了发展机器人技术，提高我国的竞争实力，逐步在上海、沈阳、北京经济发达的地区开展机器人研究，建立了机器人及其自动化生产线产业基地，逐渐开发出一批以市场为导向的，适合我国发展的，拥有自主知识产权的机器人及其自动化生产线。经过多年的发展，装配机器人的发展也有了很大的进步，用于装配的机器人占机器人总数的三分之一，并且这一趋势将不断扩大，专门设计的装配加工机器人更具有效率。目前我国在装配机器人研制方面，掌握了机械设计，控制，驱动系统等关键技术，在基础元件方面，引入了谐波减速器，传感器，运动控制器。近几年来，我国已经研制出各种各样的装配机器人，如小型电器机器人自动装配线，精密机芯机器人，开发了具有知识产权模块化直角坐标系装配机器人、CAD平台、开发了3个系列的直线运动单元以及由此组成的直角坐标装配机器人，“贤科”装配机器人是国际上比较精密的装配机器人。装配机器人按适应的环境不同分为普通型装配机器人和精密装配机器人，根据臂部的运动形式，分为平面关节型装配机器人，直角坐标机器人，垂直多关节装配机器人。日本研究开发的平面关节（SCARA）装配机器人，属于精密型装配机器人，具有定位精度高，柔性好、工作空间大等优点，是目前比较常见的装配机器人，广泛用于电子、机械等相关的自动装配、搬运、调试，可以满足柔性自动化生产的要求。直角坐标装配机器人，具有结构简单，操作方面的优点，广泛用于零件的移送，插入，旋拧等。垂直多关节装配机器人，一般具有6个自由度，可以达到空间任意位置，面向的对象是空间任意位置和姿态的作业。如今，在研制装配机器人方面，主要研究装配机器人的共性技术及关键技术的研究，向多样化和智能化发展。如直接装配机器人，即不经过减速装置，采用高扭矩低速电机直接驱动；装配机器人结构灵巧，控制系统小，朝着机电一体化发展；智能装配机器人，例如自主移动装配机器人；并联机器人；协作装配机器人，多个机器人之间的协作，完成一系列任务，对于重型或精密装配非常重要。随着现代科学技术的发展，各式各样的机器人已经研制出来，工业机器人的应用越来越广泛，不在仅仅用于制造业，扩大到建筑，农业，采矿，国防军事，医疗，服务等领域，机器人技术将成为未来的研究热点，近年来工业机器人技术正在从狭义的机器人概念向广义的机器人技术转移，向人机智能化、设计模块化、高速化、微型化的方向发展。主要体现在以下几个方面：1.随着工业机器人应用领域的不断扩大，人们对机器人的综合性能指标的要求也越来越高，特别在某些超精密领域或重要领域，人们对工业机器人的柔性和控制精度和互换性提出了更高的要求，特别是性价比方面，于是开始研究可重构机器人，成为历史的必然，成为时代的需要，结构的模块化包括驱动部件、传感器、控制器等。可重构化适合现代制造业中的柔性生产线，主要表现在探索新的高强度轻质材料和结构的模块化。结构化的模块也提高了互换性，提高了利用率，符合现代社会的可持续发展战略。 2高速性，对于一般的室内机器人或者用于服务业的服务型的工业机器人，对于机器人的速度没有特殊的要求，但是对于室外或者用于机械加工的机器人或其他特殊领域的机器人，比较高的运行速度可以提高生产效率，降低成本，而这就对机器人的定位精度与控制精度提出了更高的要求，要求向开放式控制系统发展，提高系统控制系统的稳定性与可靠性，便于机器人的操作、3 多种传感器的综合使用。各种传感器对于机器人来说具有重要作用，利用传感器可以对外界环境做出正确的响应来传递相关信息，来保证机器人不会误操作，产生无法预测的后果，如果想让机器人进行快速和正确的操作，这就要求机器人快速正确的处理各种信息。所以除了传统的速度、加速度传感器，还加了视觉导航，力传感器等。4微型化和灵活性发展。这是未来机器人主要的方向，微型化主要体现在结构紧凑，运动方式，控制等方面提出了更高的要求，机器人的灵活性主要体现在随着机器人技术的发展，各式各样不同用途的工业机器人相继研究出来被家庭和服务行业和其他行业采用，这就要求机器人能够在不同的环境下安全，稳定的执行任务。5虚拟机器人技术。主要表现在机器人对作用的物体识别，轨迹规划，自主导航完成操作任务，计算机多媒体技术的发展为此提供了技术支持。6仿人和仿生技术。仿人机器人具有和人类相似的部分，腰部，手臂，手腕等，可以和人类一样灵活的适应各种环境，完成操作任务，具有很大的发展潜力，也是未来机器人发展方向。7产业化，只有被人们认可，被社会采用，才能被社会扶持，才有深远的发展潜力，才能给社会带来客观的经济效益。因此我们必须朝着机器人产业化的目标奋斗。1.3本课题的主要研究内容和工作安排1.3.1课题研究的背景及意义工业机器人具有大幅度提高劳动生产效率，改善劳动条件，保证产品质量，降低成本等优点，所以工业机器人的应用越来越广泛并发挥无可替代的作用，从汽车工业逐渐向其他行业渗透，机器人的种类也从简单的操作手逐渐发展成各式各样的机器人，机器人已经深入到人类生活的各个方面，机器人技术与人类科技的进步、社会文明的发展有密切的关系，事实证明人类社会的发展已经离不开机器人技术，机器人技术的进步必然会推动科学技术的发展。目前，基于机器人技术在许多领域的重要性，国内外许多国家都投入大量的人力、物力、财力大力推进机器人技术的发展和应用，进行机器人技术的研究。当前和今后机器人主要向具有智能、适应各种环境，具有多种感觉（形状、硬度、温度、湿度、质量等）的方向发展。机器人方案设计、机器人结构设计、机器人仿真技术、机器人的控制技术、机器人的应用场合、以及其他特殊要求是机器人设计中主要内容之一。按照机器人结构形式可以分为关节型机器人和非关节型机器人，关节型也称串联机器人，多为有固定基础的工业机器人，其机械本体是由刚度很大的杆件通过转动（R）或移动关节(P)连接起来的一个开式运动链，单独驱动的主动关节数目称为机器人自由度，一般情况下个五自由度就可以满足要求。串联机器人具有结构紧凑、占用的空间小，相对工作空间大、运动灵活，还能绕过基座周围的障碍物，是机器人中使用最多一种结构，已成功用于工厂中各种生产线上从事一种或者多种工作。并联机器人相比串联机器人起步比较晚，还有许多相关的理论问题没有解决。装配是产品生产中的一个工序，在制造装配业中占有重要的地位，人们投入大量的人力，物力，财力。装配机器人应运而生，装配机器人是在工业生产中，用于装配生产线上对零件进行加工和装配的工业机器人。按照开发内容和目的分为工业机器人，智能机器人、操纵机器人。而工业机器人按作用对象不同，分为装配机器人，点焊机器人，喷漆机器人等等。人们还将工业机器人用来研磨、成型、切削、抛光、磨削等作业，机器人广泛用于生产制造业是必然的趋势，在某些特定领域，对于形状复杂，切削力小，尺寸大的金属工件，如果采用数控机床进行加工则要设计专用的数控设备，使成本大幅度提高，需要较大的安装空间，并且存在以下缺点：柔性差，零件的加工需要多次安装，导致安装定位误差影响大，对于特殊形状的表面或者特殊部位的表面加工中心是无法加工的，而且物流的交换不方便；机床或者加工中心制造成本高，且数控机床增加了数控系统，成本更高。因此采用工业机器人来加工。日常生活中，经常需要在各类机器零件上进行钻（扩，铰）孔，其应用范围非常广泛，而真正用于钻（扩，铰）孔的工业机器人很少，有的只是更换一般工业机器人的工具头进行简单的加工，但是由于传统的工业机器人布局及结构形式，刚度差，精度低，而专门用于钻（扩，铰）孔的装配加工机器人要加强一般工业机器人的刚度和运动精度，所以本文针对这种情况研究了一种五自由度装配加工机器人主要用于在装配中钻（扩、铰）削加工，钻头旋转为主运动，轴向移动为进给运动，主要参数是最大钻孔直径，可以用于简单零件上的孔，也可用于加工外形复杂、没有对称回转轴线工件上的耽搁或者一系列的圆柱孔，如端盖、箱体、机架等零件上的各种用途的孔。钻孔就是在物体上钻孔，扩孔是在原有孔的基础上利用比孔大的钻头进行二次加工或多次加工，使孔进一步扩大，多用于打孔或毛坯孔的多次钻削，提高精度降低表面粗糙度值，属于孔的半加工方法。在钻孔时留有小余量基础上利用铰刀进行精加工就是铰孔，其特点是精度高，光洁度好。本文研究的装配加工机器人，可以提高零件的质量和加工精度，降低工人误操作带来的残次品的风险，提高了劳动生产率，加快了技术创新速度，提高在在同行业的竞争力。装配加工领域将是未来机器人技术发展的焦点之一，其重要性在机器人应用中将跃居第一位。对促进我国机器人产业化进程，扩大机器人的应用领域具有重要的理论和实际意义。1.3.2课题研究的内容及安排1.3.2.1课题研究的主要内容本论文设计的五自由度装配加工机器人主要用于钻（扩、铰）削加工。按结构属于串联机器人，因此具有串联机器人的特点。此外该机器人可单独固定，也可安装在自动导航车或移载机连接。本文的主要研究内容是：根据已有的工业机器人的结构和钻（扩、铰）削的特点设计了一种五自由度装配加工机器人，对机器人进行了运动方案设计和结构方案设计，进行了运动学正反解、速度分析、求出工作空间，基于第二类拉格朗日方程建立了机器人的动力学方程及动力学模型。通过有限元软件对机器人的关键部件进行有限元分析并修改相关部件等相关问题进行了研究。1.3.2.2本文研究的内容包括以下几个部分：第1章 绪论 本章主要介绍国内外工业机器人发展现状、研究背景、意义及研究的主要内容。第2章 五自由度装配加工机器人方案设计本章首先对五自由度装配加工机器人进行总体方案设计主要包括运动方案和结构方案，然后运用三维软件solid edge对主要部件进行结构设计，最后建立机器人三维实体模型。 第3章 五自由度装配加工机器人运动学分析及仿真首先，描述了运动学的相关理论，建立了所设计五自由度装配加工机器人运动学方程，求出运动学正解、逆解、工作空间、速度雅可比矩阵，在此基础上编写各个求解软件。然后利用仿真软件ADAMS进行运动学仿真，将仿真结果与运动学模型的解析算法算出结果进行比较，初步验证了机器人运动学解析算法的正确性。第4章 五自由度装配加工机器人动力学分析本章采用第二类拉格朗日方法建立装配加工机器人的运动学模型；求出动力学方程，编写动力学求解程序，对动力学的逆向问题进行了仿真，对动力学方程进行了验证，为以后的控制和轨迹规划提供了依据。第5章 五自由度装配加工机器人关键部件的有限元分析首先基于电主轴在加工过程中的轴向力及力矩，然后对于机器人运动过程中，手腕、小臂、大臂、基座多种工况进行了静态分析，得到了应力云图和位移云图的分布。最后对影响机器人性能指标的关键部件基座、臂部、腕部进行了模态分析，提取了各部件的前六阶模态，得到了对应的频谱振动特性，为改进机器人的结构提供了依据。第6章 总结与展望 总结了全文，对课题的进一步深入研究进行展望。2四自由度串联机器人本体结构设计机器人主要由机器人本体、控制器和传感检测装置三部分组成，其中机器人本体又包括机械本体和机械传动系统。机器人本体是机器人的重要组成部分，它是机器人作业任务的执行机构，用于完成机器人的所有功能动作。机器人本体的设计合理性、可靠性直接影响到整个机器人的功能和性能。本章将基于模块化设计的思想对四自由度机器人本体进行分析，给出串联机器人本体的设计方案并予以实现。2.1机器人的总体方案设计2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点2.1.1.1功能需求本论文选题为陕西省教育厅项目”柔性加工物流自动交接装置与物流装备集成”(00S001)的应用研究，主要是为了满足生产线中产品更换频繁，批量少，操作人员少，每个产品安装部件多、产品安装复杂的工作场合。鉴于上述原因，同时考虑抓取机器人应具有良好的通用性，以保证这个课题完后，所提供机器人技术，具有较好的产业化、商品化前景。所以，在设计中串联机器人有两个轴线相互平行的旋转关节以实现平面内的灵活定位，同时机器人还应有一个移动关节， 以实现在与平面垂直的方向上的移动和定位。另外在抓取搬运等作业中要求串联机器人的末端执行器抓住工件以后能够对工件的方向状态进行调整，因此，在末端执行器上还应有一个旋转关节。所以我们设计的串联机器人具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。 2.1.1.2特点 根据工作环境、工作特点等要求，本机器人应具备以下几个特点:1.外形美观，适于观察。机器人应该让人赏心悦目，同时能直观地了解它的构成和动作原理。故机器人的外形应巧妙设计，部分外壳曲线应过度柔和，采用适合材料，内部结构应简单明了，另外，机器人的动作应连续，速度适中。2.成本低在满足所要求功能的前提下，尽可能降低成本，机构尽可能采用规则件、标准件。这样，结构大大简化，成本也随之降低。3.体积小，重量轻 机器人要求抓取重量不大，动作范围也不是特别大，故体积很小，展开应在300mm x 200mm左右。要实现机器人的四个自由度，内部零件应尽量小巧，结构应尽可能紧凑。重量轻是机器人研制的一个向，在满足强度和刚度的条件下，零部件越轻越好，故材料要首选铝质轻质材料，零件特别是具有定位功能的壳体定位板应采用板筋结构，各零件的空间分布要合理，减小倾覆力矩。4.传动原理简单本机器人采用交流伺服电机驱动，选择减速方案可根据空间结构要求，优先选用标准谐波减速器，传动简单。2.1.2机器人驱动方案的确定对机器人驱动装置的一般要求如下：1、驱动装置的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率(即功率/质量比)要高，效率也要高；反应速度要快，即要求力与质量比和力矩与转动惯量比要大；2、控制尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；动作平滑，不产生冲击；安全可靠；3、操作和维护方便；对环境无污染，噪声要小；经济上合理，尤其是要尽量减少占地面积。通常，工业机器人的驱动方式有以下几种：a.电气驱动电动驱动器的能源简单，速度变化范围大，效率高，速度和位置精度都很高。但它们多与减速装置相联，直接驱动比较困难。电动驱动器又可分为直流(DC)伺服电机驱动、交流(AC)伺服电机驱动和步进电机驱动。(1) 步进电机步进电机可直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本低廉；通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制；位置误差不会积累；步进电机具有自锁能力(变磁阻式)和保持转矩(永磁式)的能力，这对于控制系统的定位是有利的，它适于传动功率不大的关节机器人或小型机器人。(2) 直流伺服电机直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩，相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制。若使用直流伺服电机，还要考虑电刷放电对实际工作的影响。(3) 交流伺服电机交流伺服电机结构简单，运行可靠，使用维修方便，与步进电机相比价格要贵一些。随着技术的进步，近年来交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机而成为机器人的主要驱动器。b.液压驱动液压驱动的优点是功率大，具有较大的功率重量比，可省去减速装置而直接与被驱动的杆件相连，结构紧凑，刚度好，响应快，伺服驱动具有较高的精度。但需要增设液压源，易产生液体泄漏，不适合高、低温场合，故液压驱动方式大多用于要求输出力较大、惯量大、而运动速度较低的场合。在机器人液压驱动系统中，近年来以电液伺服系统驱动最具代表性。c.气压驱动气压驱动的结构简单、清洁、动作灵敏、具有缓冲作用、可实现无级调速。但与液压驱动器相比，功率较小，刚度差，噪音大，速度不易控制，所以多用于精度不高的点位控制机器人中，如上、下料和冲压机器人。 考虑此设计中机器人负载并不大。通过比较，四自由度串联机器人的四个关节均选用安川交流伺服伺服电机。2.1.3机械传动方案的确定传动系统设计是机器人设计过程中最主要的设计问题之一。机器入的传动系统除采用齿轮、蜗轮蜗杆和行星齿轮传动外，还广泛采用滚珠丝杠、谐波减速装置和绳轮钢带等传动装置。如果机器人的成本允许，传动系统应避免自己加工制造，尽可能采用知名厂家成熟的传动产品。传动装置在机器人的设计中是一个很重要的环节，传动的好坏直接影响到最后的控制性能。根据课题特点，参考国内典型工业机器人图册，初步确定以下传动方案：第一自由度为移动关节，由伺服电机驱动直线组件将回转运动转变为Z向直线运动；第二自由度为转动关节，由伺服电机经过谐波减速器驱动大臂旋转；第三自由度为转动关节，由伺服电机经过谐波减速器驱动小臂旋转；第四自由度为转动关节，由伺服电机直接驱动末端执行器旋转。第一关节采用带抱闸的伺服电机直接驱动具有自锁功能的直线组件，结构简单。第二、三关节传动采用小体积、大转矩、高减速比的谐波减速器，可以获得较大的输出转矩。第四关节采用伺服电机直接驱动，臂部构件选用高强、轻质材料(铝合金)以减轻重量。2.1.3机器人基本技术参数设计机器人基本技术参数设计主要是根据设计任务和功能要求，来确定以下主要性能参数：(1) 机器人的用途：根据设计要求，所设计的机器人主要用于柔性制造系统中刀具更换、工件运送和装配。(2) 机器人的负载能力：机器人末端执行器持重为：1kg。末端执行器与本体之间以接口的形式连接以便对多种末端执行器进行替换。(3) 机器人的工作空间：水平工作范围322(mm)，高度为470(mm)。依据设计要求，四自由度串联机器人的外形尺寸如图2-1所示。参考已有同类机器人的参数，结合实际的工作情况，机器人的技术参数如表2-1。图2-1 四自由度串联机器人外形尺寸Fig 2-1 4-DOF serial robot Dimension表2-1 四自由度串联机器人技术参数Table 2-1 4-DOF serial robot technology parameters结 构 形 式串联型负 载 能 力1kg自由度4（3个回转1个移动）关节速度直线关节大臂回转关节小臂回转关节末端执行器回转关节各关节运动范围直线关节400mm大