5R关节型上下料机械手的运动学分析及其仿真的研究

发布时间：2016-08-16 07:14

第 1 章 绪论

自从人们进入工业时代以来，机械工业就一直扮演了重要的角色，也是衡量一个国家工业的发达水平的一个重要标志。机械工业已经渗透到我们生活的方方面面，从我们的日常生活到宇宙飞船的升空都离不开机械工业。这也就要求国家队机械工业加大重视力度。机器人的发展水平是衡量一个国家的机械工业发展的重要标志。机器人对机械工业的发展具有重大的意义。机械工业的规模和技术水平是衡量一个经济实力和科技水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展经济的重要战略之一。所有机械工业发达的国家的机器人水平都在世界的前列。发展机械工业首先要发展机器人已经成为各个国家都遵循的方式。机器人经过五十年的发展，不仅在工业领域有重要作用还在生活领域有很重要的作用，已经生产出了适应各个行业和各个领域的机器人。如今，按照用途主要可以分为：工业机器人、农业机器人、家用机器人、医用机器人、服务型机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教育教学机器人、娱乐机器人等。按照功能可以分为：操作机器人，移动机器人，信息机器人，人机机器人；按照装置可以分为：电力驱动机器人，液压机器人，气动机器人；按照受控方式可以分为：点位控制型机器人，连续控制型机器人[4]。各种各样的机器人已经纷纷面世，并且在人们的生产生活中发挥着越来越重要的作用。

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第 2 章 机械手机构学研究

2.1 方案要求

针对现在工业生产中的上下料的效率问题，自动化低问题，为了解放生产力，实现工厂的工业化生产。本文设计的上下料机械手，以实现生产中的自动化生产。为了实现机械手的稳定的上下料，最先需要考虑的就是机械手的运动学性能。机械手的运动学性能是由多方面的因素决定的。机械手本身的机构就是影响机械手的运动的一个重要方面。越复杂的机械手能完成越复杂的上下料路径，能越过所有的障碍物。但是，复杂的机械手也会增加机械手的费用，对运动的稳定性也有一定的要求。所以，在进行机械手的选型的时候要对经济、稳定、满足目标等各方面综合起来考虑。机械手主要由基座、腰、臂、小臂、夹持器及移动器组成，其主要用于旋转副和移动副连接而成，根据现场的工作环境及机械手需要完成的目标有以下要求：机械手能在一定范围内稳定连续的工作，能一直按相同的路径进行运动。机械手的各机构参数在满足能到达各个位姿的同时要保证机械手的稳定。

2.2 机构的选型

在本课题中研究的机械手主要是为了上下料方便。该机械手主要包括基座、大臂、小臂、还有手部。在每个部位之间都需要一个关节连接，每一个关节代表一个自由度。在本次机械手中是上下料机械手，所以本次机械手是在三维空间中运动的，对于机械手的运动位置我们需要确定三个坐标[21]。所以，机械手的确定至少需要四个自由度，又考虑到生产实际中的问题，在本次机械设备是上下料机械手，所以需要机械手的手爪能进行开合旋转。所以本课题确定的自由度为五自由度。

第 3 章 5R 机械手运动学分析............ 11

3.1 运动学概述..................... 11
3.2 5R 机械手的齐次坐标变换 ...... 11
3.3 5R 机械手的运动学分析 ........ 12
3.4 5R 机械手运动学实例验证 .................... 15
3.5 本章小结.......................... 16
第 4 章 5R 机械手的轨迹规划.................17
4.1 机械手轨迹规划的常用方法................. 17
4.2 机械手轨迹规划插值法................. 17
4.3 5R 机械手上下料路径 ...... 19
4.4 本章小结 ..................... 29
第 5 章 5R 机械手 ADAMS 运动学仿真...........................30
5.1 ADAMS 的简介................ 30
5.2 ADAMS 的常用约束分类与概述及函数.................... 31
5.3 5R 机械手模型的建立 .................. 33
5.4 机械手在 ADAMS 中的运动学仿真.............. 34

第 5 章 5R 机械手 ADAMS 运动学仿真

5.1 ADAMS 的简介

ADAMS 可以把需要进行设计仿真的模型全部用数学参数的形式表现出来进行创建模型，仿真完成后 ADAMS 的后台处理器是采用拉格朗日的方法进行数学的理论基础，建立模型系统仿真运动的动力学方程，对建立的虚拟机械系统模型进行静力学、运动学和动力学分析，输出相关的模型的位移、速度、加速度和反作用力曲线图。用于人们的分析。ADAMS 软件对虚拟机械系统的分析的仿真可用于预测机械系统的在特定运动轨迹下的性能、运动环境、震荡幅度、最高点数据的分析以及计算需要输入的载荷等各方面提供良好的分析数据。ADAMS 最主要的研究的机械系统中进行运动的模型，一般输出的是该模型的位移、速度、角速度、加速度、力矩等曲线，对分析运动学仿真及动力学仿真功能强大。其次，ADAMS 又是机械系统动态仿真分析开发工具，可以成为某些行业非常规用户进行非常规类型系统动态模拟仿真分析的开发工具[36]。综合起来，ADAMS 具有以下几方面的优点：（1）ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库为用户的使用提供了极大的方便，用户可以直接在 ADAMS 中调取所需要的信息。

5.2 ADAMS 的常用约束分类与概述及函数

样条函数在很多轨迹规划中都会有应用，一般在经过一系列离散点时应用最多或者有一系列的理算数据。一般也选用样条函数。在 ADAMS 中，根据数值插值方式不同，形成的样条函数也会不同，样条函数可分为三种不同的应用形式;CUBSPL（即Cubic Fitting Method）、CURVE（即 B-Spline Fitting Method）、AKISPL（即 Akima FittingMethod）。三种样条函数的格式都包括：Spline 中的第一个自变量可以是时间，Spline中的第二自变量可以是角度、速度、加速度方面的数据，数据单元 Spline 的名称，差值点的微分阶数，一般用 0 就可以了。样条函数在应用的时候，一般都是用 MATLAB把函数的插值表达式转化成数据的形式，然后用 txt 格式保存，在调用函数时再从外部调用。ADAMS 的调用函数的能力非常强大。

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第 6 章 结论

6.1 结论

机械手作为多学科的机电一体化的产物，已经越来越广泛的应用于我们的生产生活中。特别是在工业领域，人们在追求效率的同时，已经越来越注重健康、工作环境的舒适及付出的体力。机械手作为人工智能的一个初级阶段，是产生最早的人工智能产物，，是人类模仿自己的手臂的功能设计的代替人们完成繁琐的重体力的劳动，让人们从枯燥无意义的生产中解放出来。机器人代替人进行工作是现代社会一直以来的愿望，在很多的科技大片及很多小说当中都有过对此情景的描述。机械手就是在这个设想中进行初步的设计满足大型的加工。（1）本章节研究了机器人的发展历程及国内外的发展情况，有助于了解机器人的最新的发展现状，避免研究已经过时的东西，有助于我们把握研究课题的实际意义，为研究指明方向。（2）了解机械手的类型及各类型机械手的优缺点，为本文确定机械手的类型。（3）对机械手的运动学方法进行理论研究，了解机械手运动过程中机械手位姿变化，各关节的变化规律，并对机械手的运动学逆解进行验证，为机械手的轨迹规划做好铺垫。

6.2 展望

本文最主要是对 5R 关节机械手进行的运动学分析，由于时间及能力上的问题。本文主要进行了齐次坐标转换、运动学的正解与逆解、轨迹的规划、运动学的仿真等几方面的内容，非常的有局限性。机械手是一个需要考虑多方面问题，需要多方面的知识进行研究的一个内容。本文最主要研究的是现阶段使用最广泛的关节机械手，通过本文的研究，在本文研究的基础上还可以对一下几个方面进行深入的研究。（1）本文研究的是机械手的运动，运动是一个最基本的因素。可以在研究机械手运动的基础上的动力学问题。（2）本文研究的机械手结构简单，运动的路径简单属于工业上的上下料机械手，所以要求的精度不会太高，可以在运动的精度上进行研究，使机械手能快速的精确的到达所要到达的位置。

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参考文献（略）

本文编号：95073