第 章
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摘 要 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。 Abstract ..................................................................................................... 错误！未定义书签。 1绪论 .......................................................................................................................................... 4
1.1 引言 .............................................................................................................................. 4 1.2机器人研究现状及发展趋势 ....................................................................................... 5 1.3本课题的主要研究内容和工作安排 ......................................................................... 10
1.3.1课题研究的背景及意义 .................................................................................. 10 1.3.2课题研究的内容及安排 .................................................................................. 12
2四自由度串联机器人本体结构设计 .................................................................................... 13
2.1机器人的总体方案设计 ............................................................................................. 13
2.1.1抓取机器人功能需求分析及其特点 .............................................................. 13 2.1.2机器人驱动方案的确定 .................................................................................. 14 2.1.3机械传动方案的确定 ...................................................................................... 15 2.1.3机器人基本技术参数设计 .............................................................................. 15 2.1.4机器人本体的总体结构 .................................................................................. 17 2.2机器人本体基本结构设计 ......................................................................................... 18
2.2.1大臂和小臂机械结构设计 .............................................................................. 18 2.2.2腕部机械结构设计 .......................................................................................... 20 2.2.3直线组件的设计选择 ...................................................................................... 20 2.2.4支架结构设计 .................................................................................................. 21 2.2.5步进电机与减速器的计算和选择 .................................................................. 22 2.2.6机器人传动轴的校核 ...................................................................................... 25 2.2.7机器人本体的三维模型 .................................................................................. 26 2.3本章小结 ..................................................................................................................... 27 3四自由度抓取机器人运动学分析及仿真 ............................................................................ 28
3.1机器人运动学分析 ..................................................................................................... 28
3.1.1奇次坐标变换 .................................................................................................. 29 3.1.2 Denavt-Hartenberg(D-H)表示法 ..................................................................... 30 3.1.3抓取机器人运动学模型的建立 ...................................................................... 32 3.2机器人运动学方程的建立 ......................................................................................... 33
3.2.1抓取机器人的正运动学分析 .......................................................................... 33 3.2.2工业机器人工作空间分析 .............................................................................. 35 3.2.3机器人雅可比（Jacobian）关系求解 ............................................................ 38
3.2.4 抓取机器人的逆运动学分析......................................................................... 41 3.3四自由度串联机器人运动学仿真............................................................................. 45
3.3.1虚拟样机技术概述.......................................................................................... 45 3.3.2本文用到的ADAMS软件模块 ..................................................................... 46 3.3.3建立机器人仿真模型...................................................................................... 47 3.3.4机器人位移仿真分析...................................................................................... 49 3.3.5机器人速度仿真分析...................................................................................... 50 3.4 本章小结.................................................................................................................... 51 4. 轨迹规划及仿真分析 .......................................................................... 错误！未定义书签。 4.1关节空间轨迹规划算法分析 ............................................................. 错误！未定义书签。 4.2关节空间的轨迹规划 ......................................................................... 错误！未定义书签。
4.3 .1 三次多项式法................................................................ 错误！未定义书签。 4.3.2 五次多项式法................................................................. 错误！未定义书签。 4.3.3 高次多项式轨迹规划..................................................... 错误！未定义书签。
4.3仿真结果及分析 ................................................................................. 错误！未定义书签。
4.3 .1机器人仿真模型的建立................................................. 错误！未定义书签。 4.3 .2运动学仿真分析............................................................. 错误！未定义书签。 4.3.3 轨迹规划仿真分析....................................................... 错误！未定义书签。
4.5 本章小结 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 5四自由度串联机器人动力学分析 ........................................................ 错误！未定义书签。
5.1拉格朗日动力学方程简介......................................................... 错误！未定义书签。
5.1.1连杆系统动能和势能...................................................... 错误！未定义书签。 5.1.2拉格朗日动力学方程...................................................... 错误！未定义书签。 5.2四自由度串联机器人动力学方程的建立................................. 错误！未定义书签。
5.2.1机器人动力学方程惯量矩阵Dij项的计算 ................... 错误！未定义书签。 5.2.2向心力系数与哥氏力系数计算...................................... 错误！未定义书签。 5.2.3重力项的计算.................................................................. 错误！未定义书签。 5.2.4四自由度机器人动力学方程.......................................... 错误！未定义书签。 5.3机器人动力学仿真..................................................................... 错误！未定义书签。 5.4本章小结..................................................................................... 错误！未定义书签。 6机器人重点受力部件的有限元分析及造型设计 ................................ 错误！未定义书签。
6.1ANSYS软件介绍 ....................................................................... 错误！未定义书签。 6.2关键部件的静刚度有限元分析................................................. 错误！未定义书签。
6.2.1小臂的载荷计算及有限元分析...................................... 错误！未定义书签。 6.2.2大臂的载荷计算及有限元分析...................................... 错误！未定义书签。
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6.2.3安装板的载荷计算及有限元分析 .................................. 错误！未定义书签。 6.3四自由度机器人支架的稳定性分析 ......................................... 错误！未定义书签。
6.3.1支架静力学分析 .............................................................. 错误！未定义书签。 6.3.2支架屈曲分析 .................................................................. 错误！未定义书签。 6.4本章小结 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 7总结与展望 ............................................................................................ 错误！未定义书签。 致 谢 ......................................................................................................... 错误！未定义书签。
1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
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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ABBRobotics、YaskawaKUKARoboter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SCARAZ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