第一章 绪论
1.1前沿
机器人技术是由多学科形成的高新技术，在现代的研究非常活跃，应用日益广泛，在制造业、医疗、海洋开发、航天工程等方面得到了越来越广泛的应用。工业机器人是集机械、电子、控制等多学科先进技术于一体的自动化装备。它的研究和发展水平是一个国家工业自动化水平的重要标
志。 1.2课题研究的背景和意义
喷漆机器人是可进行自动喷漆或喷涂其他涂料的工业机器人。中国研制出几种型号的喷漆机器人并投入使用，取得了较好的经济效果。喷漆机器人主要由机器人本体、计算机和相应的控制系统组成，多采用5或6自由度关节式结构，手臂有较大的运动空间，并可做复杂的轨迹运动，其腕部一般有2～3个自由度，可灵活运动。较先进的喷漆机器人腕部采用柔性手腕，既可向各个方向弯曲，又可转动，其动作类似人的手腕，能方便地通过较小的孔伸入工件内部，喷涂其内表面。喷漆机器人广泛用于汽车、仪表、电器、搪瓷等工艺生产部门，一般分为液压喷涂机器人和静电喷涂机器人。
（1）液压喷涂机器人的结构多为6轴多关节式，工作空间大，腰回转采用液压马达驱动，手臂采用油缸驱动，手部采用柔性手腕结构。
（2）电动喷涂机器人。近年来由于交流伺服电机和高速伺服技术的发展，在喷涂机器人中采用电机驱动已经越来越成熟。电动喷涂机器人一般有6个轴，工作空间大，结构简单，惯性小，轨迹精度高。
随着企业生产规模的不断扩大，需要极大提高劳动者的生产效率和工作环境。在控制方面提高喷涂厚度均匀性是最重要的部分，喷漆机器人需配备油漆流量控制系统，流量的大小将直接影响喷涂质量，喷涂厚度自动控制系统能实时自动检测各种工作参数，
机器人的广泛应用不仅可以提高产品的产量和质量，而且对于保障人身安全，减轻劳动强度，提高劳动生产率，降低生产成本，提高了企业的竞争力和产品的市场占有率。因此研究喷漆机器人开发技术对于加速我国机器人产业化进程，满足我国日益增大的市场份额有非常重要的意义。
1.2国内外喷涂机器人的研究概况
机器人喷涂在国外是一项比较成熟的技术，已经有四十多年的发展合历史，很早运用该技术的有德国的hate公司，美国的fudge公司等。随着喷涂机器人的技术不断提高，喷涂精度越来越高。著名的国外喷涂机器人生产厂家有瑞典的ABB、日本的安川和德国的KUKA公司，其中ABB公司是目前世界领先的全球喷涂机器人供应商，在喷涂技术领域具有丰富的技术和经验，因此ABB喷涂机器人在全世界被广泛的应用。
图一 最新ABB喷涂机器人 图二 汽车喷漆机器人
喷漆机器人是工业机器人技术与表面喷涂工艺结合的产物，所以它的发展历程与工业机器人技术的发展紧密相关。国外工业机器人的发展有如下几个方向： （1） 机器人的性能（高精度、高可靠性等）不断提高。
（2） 机械结构向微型化发展。随着伺服系统的不段改进，出现了如爬壁机器人，柔性马达控制
的微型机器人。
（3） 控制系统向基于PC机的开放控制器发展，更加网络化、标准化，大大提高了系统的可靠
性。
当前国外喷涂机器人取得的进展主要有：
（1） 机器人操作机。通过有限元分析和仿真优化设计等现代设计方法，机器人操作机已经实现
了优化设计。德国KUKA公司已经将平行四边形结构改为开链结构，宽展了机器人的工作空间，以及轻质铝合金材料的应用，大大提高了机器人的性能。采用先进的RV减速器及交流伺服电机，使机器人操作机成为免维护系统。
（2） 控制系统。由于计算机技术的快速发展，机器人控制系统的性能不断提高，已经由过去控
制标准的6轴机器人发展到现在的21轴，实现了软件伺服和全自动控制。
（3） 传感系统。微电子技术和新型材料的不断创新，视觉传感器和力传感器等在机器人系统中
得到了成功的应用，实现了自动喷涂及喷涂厚度的自动控制。
国内工业机器人研究始于70年代，但是由于基础薄弱，关键技术不足等原因未形成真正的具有竞争力的产品。80年代末在中国科技攻关项目的支持下，工业机器人的研究进入了发展的一次高潮。喷漆机器人也就是在这时期开始发展，以交流伺服驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元器件，以及机器人本体设计技术、控制技术等都取得显著成果。90年代国家863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题，系统的开展了机器人基础科学，关键技术，先进机器人系统集成技术的研究与应用。在机器人视觉、力觉、触觉以及多传感器信息融合控制技术有了一定的发展基础。
我国第一条机器人自动喷漆线是1991年由北京机械自动化研究所完成的混流机器人自动喷漆生产线，该所先后开发出EP系列电液伺服喷涂机器人和PJ电动喷涂机器人等。国内喷涂机器人开发技术仍处于逐步完善的阶段。在喷气漆机器人离线编程技术研究方面主要是跟踪国外喷枪轨迹规划技术的研究。机械工业自动化研究所在喷漆机及自动喷涂线的开发放卖弄做了大量的研究，但对于具有较大柔性的数控喷漆机器人的开发尚在研究阶段。 1.3论文的研究内容
随着科技的不断发展，机器人技术受越来越多的重视，而作为机器人研究基础的运动系统更是重中之重。随着工业化水平的不断提高，自动化水平的要求越来越高。由于机器人系统是典型的非线性系统存在着多种外部干扰。喷漆机器人的末端要求按照一定轨迹运动，运动速度和定位精度等性能指标要求较高，由于工作环境易燃易爆于因此要有防爆要求，工件表面喷涂厚度要均匀。因此，提高机器人的控制精度，完善仿真分析技术是主要的研究方向。
本文依托于长春瑞星机器人有限公司提供的研制有专门用途的工业机器人项目，以典型的6自由度工业机器人为对象，分析研究了喷漆机器人运动系统、轨迹规划、喷涂厚度等问题，以求达到设计要求。
本文主要从以下几个方面展开研究：
（1） 喷漆机器人运动学与仿真分析研究。根据喷漆工艺技术的要求，对结构进行合理设计，由
该构型建立机器人的位移方程、速度方程和加速度方程，并且讨论运动方程的逆解。
（2） 以运动学及轨迹规划违基础，利用MATLAB机器人工具箱对运动系统进行建模仿真，得
到仿真曲线，为控制系统分析建立理论基础。
（3） 喷枪的数学模型是喷漆机器人离线编程技术的关键问题之一，探讨针对空气喷涂生产中喷
枪漆雾沉淀于工件表面的情况，在实验的基础上对喷枪喷漆过程中形成的喷膜厚度的分布规律进行了分析，从而建立喷枪的数学模型。
1.4本章小结
本章在广泛收集、阅读、分析、比较国内外机器人技术方面的研究资料基础上，介绍了本课题研
究的目的和意义。在了解国内外的研究现状和发展趋势的基础上，以典型机器人违研究模型，对其进行仿真分析，为其结构进行优化；对柔性喷枪进行有限元分析；为以后喷漆机器人的生产研制打下了坚实的研究基础。
第二章 机器人运动系统分析
机械手是机器人系统的机械运动的执行机构，是用来保证空间运动的综合刚体。运动学的重点是研究机器人各个坐标系之间的运动关系，是机器人运动控制的基础。由机器人关节坐标系的坐标与机器人末端的和姿态之间的映射称为机器人的正向运动学，也叫运动学。由机器人末端的位置和姿态到机器人关节坐标系坐标之间的映射称为逆向运动学。机器人关节坐标的微小运动与机器人末端位置和姿态的变换关系称为机器人的微小运动。基于速度的微小精确控制，通常采用微分运动原理对机器人的关节运动进行控制，使机器人末端表现出期望的运动速度。机器人系统是个复杂的动力学耦合系统，数学模型具有显著的非线性和复杂性。 2.1机器人的位置和姿态 2.1.1位置的描述
对于直角坐标系{A},空间任一点P的位置用列矢量AP?Px,py,pz点P在{A}中的三个坐标分量，p为位置矢量，见图2.1。
A??表示，其中p,p,p是
Txyz
图2.1 三维坐标系 2.1.2方位姿态的描述
物体的方位用某个固定于此物体的坐标系描述，机器人位姿有两种形式即直角坐标法和欧拉角法，设置一直角坐标系{B}与此物体相连，用坐标系{B}的三个单位主矢量
x,y,zBBB相对于参考坐标
AA
系{A}的方向余弦组成的三阶矩阵B R来表示刚体B相对于坐标系{A}的方位，BR称为旋转矩阵。
?r11AAxB,AyB,AzB??BR??r21??r31??r12r22r32r13?r23?? r33??A相对参考系{A}，坐标系{B}的原点位置与坐标轴方位，分别由位置矢量示。这样刚体B的位姿可由坐标系{B}描述，即由 {B}= {
A
B
pB0A
和旋转矩阵BR表
R
ApB0}
2.2齐次坐标变换
坐标变换由直角坐标变换和齐次坐标变换组成。所谓齐次坐标变换就是把被变换坐标系所描述的矢量变成用其参考坐标系所描述的矢量，因此这需要坐标系的平移和旋转。其次坐标变换矩阵可分解为一个平移矩阵和旋转矩阵的乘积。
?nx?nyT=??nz??0 =Trans(
oxoyoz0xaxayaz0ypx??1?0py??=?pz??0??1??0z01000010px?py??pz??1??nx?n?y?nz??0oxoyoz0axayaz00?0?? 0??1?p,p,p)Rot??,??
式中Trans(p,p,p)——平移变换矩阵，平移矢量?pxxyzpyTpz；
? Rot??,??——旋转变换矩阵，K为旋转轴线方向的单位矢量，?为旋转角。
图2.2 移动和旋转坐标图
2.3通用旋转变化
刚体绕着从原点出发的任一矢量f旋转?角时的旋转矩阵称为通用旋转变换公式。
fyfxV?fzs?fzfxV?fys??fxfxV?c??ffV?fs?fyfyV?c?fzfyV?fxs?xyzRot?k,??=??fxfzV?fys?fyfzV?fxs?fzfzV?c??000?式中 fx,fy,fz——一般轴的单位矢量在三个方向的分量 V——vers?=1-cos? 的缩写
0?0?? 0??1? S——sin的简写 C——cos的简写
2.4广义连杆变换矩阵 2.4.1连杆参数
机器人是由许多运动副和连杆连接而成，这些杆件称为连杆，连接相邻两个连杆的运动副称为关节，对于旋转关节其转动轴的中心线作为关节轴线。对于平移关节，取移动方向的中心线作为关节轴线。从一般情况考虑可以认为关节型机器人是由一系列具有空间弯曲轴线的杆件， 设第i个关节的轴线为Ji，第i个连杆记为
C,连杆参数定义如下
i（1） 连杆长度：两个关节的关节轴线的公垂线距离为连杆长度，记为（2） 连杆扭转角：由
ij与公垂线组成平面P，Ji?1与平面P的夹角为连杆扭转角，记为?i
（3） 连杆偏移量：出第一和最后连杆外，中间连杆的两个关节轴线都有一条公垂线ai，一个
关节的相邻两条公垂线的距离为连杆偏移量，记为di
（4） 关节角：关节的相邻两条公垂线在以j为法线的平面上的投影的夹角为关节角记为?i
ia
i（5） A矩阵
A矩阵是两相邻连杆坐标系的齐次变换坐标矩阵。设i连杆的坐标系设置于i?1号关节上，并固定于i关节上，它的坐标系的原点位于关节i和关节i?1的两轴线的公共法线与关节i轴线的交点上，
图2.3 连杆坐标
所以??i向?i?1?的变换为
iii?1
A?Rot?x,??Trans?x,??Trans?z,??Rot?z,??
ii?1ii?1ii