四自由度平面关节型机器人结构分析与优化

1、UDC学 位 论 文四自由度平面关节型机器人结构分析与优化作者姓名： 张进伟指导教师： 柳洪义 教授东北大学机械电子工程研究所学科类别：工 学 申请学位级别： 硕 士学科专业名称： 机械电子工程论文提交日期： 2008年 月学位授予日期： 2008年 月评论文答辩日期：2008年7月 答辩委员会主席： 阅人：东 北 大 学2008年6月A Thesis for the Degree of Master in Mechanical and Electronic EngineeringAnalysis and Optimization of the Structure of4-DOF SCARA

2、RobotBy Zhang JinweiSupervisor: Professor Liu HongyiNortheastern UniversityJune 2008独创性声明本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：日 期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复

3、印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年 一年 一年半 两年学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 签字日期：I东北大学硕士学位论文 摘 要四自由度平面关节型机器人结构分析与优化摘 要工业机器人一般指用于机械制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、某些家电产品、化工等行业自动化生产线中的点焊、弧焊、喷漆、切割、电子装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。它是集运动学与动力学理论、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、控制

4、理论、传感器技术、人工智能理论等科学技术理论的综合应用。机器人技术的研究与开发标志着一个国家科学技术的水平，而机器人在各种工业领域的普及应用，则显示了这个国家的经济和科技发展的综合实力。机器人技术是多学科的综合运用，在众多类型机器人中，平面关节型机器人在平面内的运动具有较大的柔性，沿升降轴的运动具有很强的刚性，非常适合应用于搬运、焊接和装配等重复性任务，因此在工业生产中得到广泛应用。本文以四自由度平面关节型机器人结构为基础，重点研究了四自由度平面关节型机器人结构分析与优化的问题。首先，以Pro/E软件为基础，对平面关节型机器人总体结构进行设计。在结构设计过程中详细讨论多种设计方法、设计原理、以

5、及设计过程中的要求与原则，通过对不同设计参数及结构进行对比分析得出最优的设计结构与尺寸。在同样的工作空间内完成相同动作时，针对其它四自由度平面关节型机器人结构进行分析对比，分析了不同结构参数对机器人动态运行的影响，为机器人设计者提供参考。这种在具体设计之前预先给出不同设计结构之间优缺点的方法能够使设计者根据任务的要求选择机器人的结构和参数，减少设计过程中不必要的重复工作。其次，对机器人进行运动学仿真分析以及结构优化。经过虚拟仿真可以检查机器人设计的合理性，以及观察机器人结构在运动过程中的相互干涉性，并在ANSYS软件中建立各臂模型，进行位移、应力、模态分析，从中选择最优的结构，进而确定本体设计

6、和验证设计方案的合理性。最后，通过对伺服系统的各种形式、电机性能进行分析比较，根据系统对快速响应、平稳工作的要求，对平面关节型机器人各个关节传动方式、交流伺服电机、减速器进行计算选择，从而机器人系统设计达到最优。关键词：平面关节型机器人；四自由度；运动仿真；Pro/E；ANSYSII东北大学硕士学位论文 Abstract Analysis and Optimization of the structure of4-DOF SCARA RobotAbstractThe industry robot generally refers the robot which is used in the m

7、echanical manufacturing industry, replacing the human to complete the mass and high request work, such as the automobile manufacture, the motorcycle manufacture, the ships manufacture, and the work of spot welding, the arc welding, the painting, cut, the electronic assembly and the transporting, the

8、 packing, piles buttress in the automatic production line of certain electrical appliances manufacture and chemical industry and so on. It is the integrated application of technological theory, such as kinematics and dynamics theory, mechanical design and manufacture technique, the hardware and soft

9、ware of computer technique, control theory, sensor technology, the theory of artificial intelligence and so on. The application and exploitation of robot technique indicate the science and technology level of a country. Whats more, its usage and prevalence in some industry fields revealed the synthe

10、tical strength of a countrys development in economy and technology.Robot technique is the synthetical application of many subjects. In numerous types of robots, SCARA Robot has biggish flexibility in plane movement and strong rigidity in lift axes movement, which is very propitious to be applied to

11、repeating task such as conveying, jointing and assembly and so on, so it is applied widely in industry production. This thesis based on the structure of the 4-DOF SCARA Robot and stressly investigated the problem of the analysis and optimization of the structure of 4-DOF SCARA Robot.Firstly, based o

12、n the software Pro/E, designing the overall structure of the SCARA Robot. During the process of structure design, many methods, elements, requirements and principles are discussed in detail. The optimized design structure and dimension are got by comparison and analysis of the different design param

13、eter and structure; dexterity analysis results of 4-DOF robots with different structures are given, and the results are compared with other structures of SCARA Robot within the same workspace. The influence of structural parameters on robot dexterity is analyzed, which can serve as useful reference

14、to robot designers. This kind of method can give the dexterity analysis result before detailed design,- III -东北大学硕士学位论文 Abstract and can enable designers to select robot structure and parameters according to task requirements.Secondly, the kinematics emulation of the robot is analyzed and the struct

15、ure is optimized. Afterthat each arm model is founded, besides the displacement, stress, mode are analyzed by ANSYS software, and the optimized structure is selected, sequentially the design is confirmed and the rationality of project is validated.Finally, according to the requirements of system for

16、 the rapid response, smooth work, after the comparison of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the SCARA Robot, AC servo motor and reducer to realize motion control of robot, so that robot system design is optimal at last.Key words: SCARA Ro

17、bot; 4-DOF; Motion Simulation; Pro/E; ANSYS- IV -东北大学硕士学位论文 目 录目 录独创性声明.I 摘 要.II Abstract.III 目 录.V第一章 绪 论.11.1 课题研究的背景与意义.11.2 国内外机器人发展现状.21.3 工业机器人特点及分类.31.3.1 工业机器人特点.31.3.2 工业机器人分类.41.4工业机器人的构成及应用.61.4.1 工业机器人构成.61.4.2 工业机器人技术参数.71.4.3 工业机器人的应用.81.5 本论文研究的基本内容.81.5.1 机器人本体结构设计.91.5.2 机器人系统动态优化设计

18、.91.5.3 机器人结构CAE分析.91.5.4 伺服系统选择.9第二章 机器人本体设计.102.1 机械系统的设计.102.1.1 CAD软件Pro/E概述.102.1.2 机器人结构设计的主要坐标式.132.1.3 机器人本体设计原则.142.2 机器人结构设计与优化.162.2.1 机身的设计与优化.162.2.2 臂1的设计与优化.172.2.3 臂2的设计与优化.202.2.4 臂3的设计与优化.22- V -东北大学硕士学位论文 目 录2.2.5 机械手设计与优化.25第三章 机器人虚拟仿真与运动学分析.263.1机器人组件装配.263.1.1 机身与臂1虚拟装配.263.1.2

19、 臂1与臂2虚拟装配.273.1.3 臂2与臂3虚拟装配.273.1.4 机械手虚拟装配.283.1.5 机器人模态的整体总装.283.2 虚拟仿真.293.3 机器人的运动学分析.333.3.1 机器人齐次坐标系的建立.333.3.2 机器人正运动学分析.353.3.3 机器人逆运动学分析.36第四章 机器人结构CAE分析.384.1 机器人有限元分析原理.384.1.1 形状函数.384.1.2 单元刚度矩阵.394.1.3 单元节点位移.414.1.4 系统固有频率.414.2 机器人双臂的ANSYS有限元分析.424.2.1 ANSYS有限元分析的特点.424.2.2 机器人臂1 AN

20、SYS有限元分析.424.2.3 机器人臂3 ANSYS有限元分析.45第五章 伺服系统选择设计.495.1 步进电机和交流伺服电机性能比较.495.2 机器人驱动方式.505.3各关节传动方式与驱动原件选择.515.3.1 各关节驱动方式选择.515.3.2 各关节驱动原件的选择.525.4 交流伺服电机控制原理.55第六章 结 论.56- VI -东北大学硕士学位论文 目 录 参考文献.57 致 谢.60- VII -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论第一章 绪 论1.1 课题研究的背景与意义随着现代科技的迅猛发展，机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。在制造业中诞生的工业机器人是继

21、动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。有关专家研究表明，国外发达国家已广泛应用机器人自动化生产线，并已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。我国有关部门及企业应该做好充分准备， 借鉴国外推动产业发展的先进经验。我国机器人产业要快速发展，就不能只靠几个爱好者的激情和科研单位的单方努力，机器人就不能只作为展览会上的表演者。研制单位必须和需求紧密结合，让机器人走进工厂和家庭，实现真正的产业化。把发展中国机器人产业纳入政府重要产业政策中，引导和扶持企业进行产业和产品结构调整，加速机器人产业化进程。近年来我国的机器人

22、自动化技术也取得了长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有一定的差距，如可靠性低于国外产品，机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量，长期大量依靠从国外引进。在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人，约占全球已安装台数的0.4。产生以上差距，有关专家认为主要是我国没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是根据用户的要求，“一个客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较高、而且质量、可靠性不稳定。本课题研究的四自由度平面关节型机器人是工业领域中应用

23、较为广泛的机器人之一。据统计资料介绍，目前，国外已有的各种专用和通用装配机器人中，平面关节型装配机器人是应用数量最多且较为广泛的一种装配机器人。1991年世界上4万余台在生产上应用的装配机器人中，平面关节型机器人约占3/4左右。其主要应用领域为电子电器业、家用电器业、精密机械业。从事印刷电路板上电子元器件的插入作业；家用电器及仪器仪表的组装作业；小型电器开关、接触器等电器产品的组装作业。可以说，平面关节型机器人在轻型、较简单并且要求机器人价格较低的装配作业中大显了身手。而且平面关节型最显著的特点是他们在XY平面上的运动具有较大的柔性，而沿Z轴方向具有很强的刚性，这种选择性的柔性，在装配作业中是

24、很重要的特性，非常适合应用于搬运、焊接和装配等重复性任务，因此在工业生产中得到广泛应用。鉴于平面关节型机器人在- 1 -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论工业领域应用中的独特优势，研究平面关节型机器人也就具有相当的代表性。而在众多的机器人研究中，大多主要侧重于研究机器人的控制系统和运动学分析，在机器人结构设计与优化方面反而没有引起足够多的重视，正因为如此，在本课题中专门针对四自由度平面关节型机器的结构做了设计和优化，以及对相关机器人结构的讨论分析，期待对我国的机器人研究有更大的帮助。1.2 国内外机器人发展现状机器人是最典型的机电一体化数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业

25、的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。目前在国外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。如下图1.1机器人涂胶和图1.2高压水切割机器人等。目前，全球现役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。据国际机器人联合会

26、及联合国欧洲经济委员会（UCENE）统计，2001年机器人安装量为7.8万台套，年增长率9%。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。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。图1.1 机器人涂胶 图1.2 高压水切割Fig 1.1 Robot gelatinize Fig 1.2 High pre

27、ssure water incision据国际机器人协会统计，2003年工业机器人发货量呈现强劲增长势头。与2002年相比，2003年全球范围内机器人的订货量增长约10%以上。预计，工业机器人的世界- 2 -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论 市场将从2002年的68600台套增长到2010年的151100多台套，年平均增长7.4%。纵观目前经济发展现状，我国机器人市场增长异常迅猛，从销售量上更是充分说明了这个不争的事实。在中国市场上占有35市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。专家预测，我国机器人2008年

28、拥有量将增至7600台，到2010年拥有量将达到17300台，到2015年，市场容量将达十几万台（套）。据悉，汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以点焊、弧焊、喷漆、装配、搬运、冲压等为主1,2。但是，我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、蛇形的、无人飞行器以及家用、病人护理、盲

29、人引导犬等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界3,4。1.3 工业机器人特点及分类1.3.1 工业机器人特点机器人（Robot）是1920年由捷克作家卡雷尔查培克在剧本中塑造的一个具有人的外表、特征和功能，愿意为人服务的机器奴仆“Robota”一词衍生出来的。我们可以这样说：机器人是一个在三维空间中具有较多自由度的，并能实现诸多拟人动作和功能的机器；而工业机器人（Industrial Robot）则是在工

30、业生产上应用的机器人5,6。工业机器人有以下几个最显著的特点：（1）可编程工业机器人可随其工作环境变化的需要而再编程，因此它在小批量多品种具有均衡高效率的柔性制造过程中能发挥很好的功用，是柔性制造系统的一个重要组成部分。（2）拟人化工业机器人在机械结构上有类似人的行走、腰转、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有计算机。此外，智能化工业机器人还有许多“生物传感器”，传感器的使用极大提高了工业机器人对环境的自适应能力。（3）通用性- 3 -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论一般工业机器人在执行不同的作业任务时具有较好的通用性，如更换工业机器人的末端执行器便可执行不同的作业任务。1.3.2 工

31、业机器人分类根据不同的标准，机器人也相应有不同的种类。工业机器人的机械结构部分可看作是由一些连杆通过关节组装起来的。通常有两种关节，即转动关节和移动关节。连杆和关节按不同的坐标形式组装，机器人可分为五种：直角坐标型机器人、圆柱坐标型机器人、球坐标型机器人、关节型机器人和并联机器人7,8。（1）直角坐标型机器人直角坐标型机器人是通过3个互相垂直的轴线位移来改变手部的空间位置，运动是独立的，其前三个关节为移动关节（PPP）。该类操作机易于实现高定位精度，空间轨迹易于求解，但操作灵活性差，运动的速度较低，当具有相同的工作空间时，机体所占空间体积大。（2）圆柱坐标型机器人圆柱坐标型机器人是通过一个转动

32、和两个移动（RPP）来实现手部的空间位置变化。该种操作机结构简单，便于几何计算，其工作范围较大，运动速度较高，但随着水平臂沿水平方向伸长，其线位移分辨精度越来越低。通常用于搬运机器人。（3）球坐标机器人球坐标机器人用两个转动和一个移动（RRP）来改变手部的空间位置。一般是要关节可绕Z轴转动，大臂可在Z-X平面内俯仰（转动）。这种机器人的特点是结构紧凑，所占空间体积小，其操作比圆柱坐标型更为灵活，并能扩大机器人的工作空间，但旋转关节反映在末端执行器上的线位移分辨率是一个变量。（4）关节型机器人关节型工业机器人是模拟人的上肢而构成的。它的前三个转动关节（RRR），腰关节绕Z轴转动，臂的两个关节绕平

33、行于Y轴的两轴线转动。它利用顺序的三个圆弧运动来改变手的空间位置，其特点是所占体积小，机构紧凑，操作灵活性最好，运动速度较高，操作范围大，还能绕过其基座周围的一些障碍物，但精度受手臂位姿的影响，实现高精度运动较困难。这是机器人使用最多的一种操作机。PUMA、CINCINNATI T3、MTOMAN、ABB、KUKA等名牌机器人都是采用这种型式的操作机。（5）并联机器人该机器人采用六自由度的Stewart平台机构作为机器人机构。根据这种机构的特点，人们把它称为并联机构。并联机构从结构上是用6根支杆将上下两平台联接，这样上下- 4 -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论 平台就可进行6个独立运动，

34、即有6个自由度，在三维空间可以沿任意方向的移动和绕任何方向的轴线转动。由于机械手、操作机、机器人有许多共同点，它们在技术上是相通的，有时很难严格区分。同时，机器人技术目前正处于迅速发展阶段，关于机器人的一些概念、定义，仍在不断充实、演变之中，存在着不同的认识和见解。从文献中可以找到各种各样关于“机器人”的定义。1984年，国际标准化组织（ISO）采纳了美国机器人协会（RIA）给“机器人”下的定义，即“机器人是一种可重复编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机。”或者“是一种带有执行不同的工作任务的手臂，且可改编程序动作来完成各种作业的特殊机械装置。”关于机器人如何分类，国际上没有制定统

35、一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的

36、服务机器人。随着工业化的实现，信息化的到来，我们开始进入知识经济的新时代。创新是这个时代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改变着我们的今天，并将改造我们的明天。新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的交叉、渗透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。机器人技术就是在这样的规律和环境中诞生和发展的9,10。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。机器人的发展史已经证明了这一点。机器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间；机器人展示出它们的能力与魅力，同时也表示了它们与人的友好与合作。- 5 -东北大学硕士学位论文 第1章 绪 论1.4 工业机器人的构成及应用1.4.1 工业机器人构成一个机器人系统，一般由操作机、控制装置和为使机器人进行作业而要求的外部设备组成。（1）操作机（又称执行系统）操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的动作功能，是可在空间抓放物体或是进行其他操作的机械装置。通常由以下部分构成：末端执行器又称手部，