四自由度机器人设计及运动学动力学分析

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1、第章目录摘要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、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273.1.2Denavt-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37第章3.2.4抓取机器人的逆运动学分析413.3四自由度串联机器人运

3、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

4、.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81第章6.2.3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

5、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92第章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，

6、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

7、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