【正文】 Ⅱ 學(xué) 位 論 文 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)研究 學(xué)生姓名：梁正永 學(xué)號(hào)： 系部： 機(jī)械工程系 專業(yè)： 機(jī)械電子工程 指導(dǎo)老師： 劉嘉 論文提交日期： 2021 年 06 月 論文答辯日期： 2021 年 06 月 Ⅱ 摘 要 機(jī)器人的研究包括三個(gè)分支 ,機(jī)械臂 (Robot Arm)、機(jī)械腿 (Robot Leg)和機(jī)械手 (Robot Hand)。這三個(gè)分支往往是分開(kāi)研究的 ,其中以對(duì)機(jī)械臂的研究最為廣泛。在最近 20 年中 ,機(jī)械臂技術(shù)得到巨大的發(fā)展 ,機(jī)械臂已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及人們生活的各個(gè)方面。機(jī)械臂從能完成一些簡(jiǎn)單的抓取、放置、噴漆和焊接操作 ,發(fā)展到能實(shí)現(xiàn)在印刷電路板上裝插集成電路芯片和在汽車(chē)工業(yè)中裝卸與傳送零件這樣復(fù)雜的操作。因此對(duì)機(jī)械臂的深入研究在現(xiàn)代制造裝配和空間工程應(yīng)用中 起著非常重要的作用 ,對(duì)其更好的拓寬應(yīng)用領(lǐng)域、服務(wù)工程實(shí)際都具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 本文主要應(yīng)用機(jī)器人學(xué)理論、多體動(dòng)力學(xué)理論及分析力學(xué)等理論 ,對(duì)對(duì)傳統(tǒng)6R 機(jī)械臂進(jìn)行改造創(chuàng)新并建模、模態(tài)匹配分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)和基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的可視化仿真。具體成果如下： 首先通過(guò)編寫(xiě)程序語(yǔ)言使機(jī)械臂能模仿人手的動(dòng)作（ c 語(yǔ)言或 c++）；再選擇機(jī)械臂的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；其次再確定機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的速度、加速度等參數(shù)（雅可比矩陣）；然后根據(jù)設(shè)計(jì)所需，在選擇機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的材料。 最后對(duì)主要零件利用 CADComputer Aided Design 2021 軟件對(duì)主要零件進(jìn)行二維建模，利用 pro/Engineer 軟件對(duì) 6 自由度的機(jī)械臂進(jìn)行三維實(shí)體建模、裝配，并使用 matlab 軟件進(jìn)行構(gòu)件各部件的運(yùn)動(dòng)仿真。 關(guān)鍵詞：機(jī)械臂；仿真模擬；動(dòng)力學(xué)模型； C 語(yǔ)言 Ⅱ 目 錄 摘 要 …………………………………………………………………………………………………Ⅱ 第 1 章 緒論 ………………………………………………………………………………………….1 機(jī)械臂研究的意義 ………………………………………………………………………1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 …………………………………………………………………………..2 本文主要研究?jī)?nèi)容 ………………………………………………………………………4 第 2 章 五自由度機(jī)械臂的模態(tài)匹配分析 …………………………………………...6 五自由度機(jī)械臂 PRO/E 模型的立 ………………………………………….11 五自由度機(jī)械臂模態(tài)參數(shù)計(jì)算 ……………………………………………….11 基本組成零件分析 ……………………………………………………..…….11 部件 級(jí)分析 ……………………………………………………………..………..21 總裝整體分析 ………………………………………………………..…….……25 結(jié)論 …………………………………………………………………………………………30 第 3 章 傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………….64 第 4 章 基于 PRO/E 六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)可視化仿真與分析 ……32 六自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真分析研究?jī)?nèi)容和方法 …………………..32 基于 PRO/E 的三自由度機(jī)械臂建模 ………………………………………….34 六自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真 ……………………………………………………..36 小結(jié) ……………………………………………………………………………………………39 第 4 章 六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析 ……………………………..40 六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ……………………………………………….40 六自由度機(jī)械臂正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 …………………………………….40 六自由度機(jī)械臂逆向 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 ….…………………………….…..44 Ⅱ 六自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)析 …………………………………….……………..47 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的靜力學(xué)分析 …………………………………………47 六自由度機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)分析 …………………………………………48 六自由度機(jī)械臂不同參數(shù)下的動(dòng)態(tài)分析 ………………………………..56 忽略摩擦力與考慮摩擦力下的動(dòng)態(tài)分析 …………………………..56 在不同長(zhǎng)度連桿下的動(dòng)態(tài)分析 …………………………………………..60 小結(jié) ………………………………………………………………………………………….63 第 5章 各種機(jī)構(gòu)比較 ……………………………………………………………………….64 第 6 章 結(jié)論與展望 …………………………………………………………………………….64 研究工作總結(jié) …………………………………………………………………………..64 后續(xù)工作展望 …………………………………………………………………………..64 致謝 …………………………………………………………………………………………………….66 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………….67 附錄 A………………………………………………………………………………………………….70 六自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型Ⅰ ………………………………………………………70 附錄 B………………………………………………………………………………………………….73 六自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型Ⅱ ………………………………………………………73 Ⅱ 第 1章 緒論 機(jī)械臂的研究意義 從古至今 ,人類探索客觀世界和尋求自身發(fā)展的活動(dòng)從來(lái)不曾停止。人類歷史中重大的利學(xué)發(fā)現(xiàn)以及人類文明的不斷進(jìn)步也正是由于這種探索精神。在上個(gè)世紀(jì) ,隨著科技的高速發(fā)展 ,人類的活動(dòng)空間得到了迅速擴(kuò)展 ,如極地探索、火星探索、月球登陸等 ,都代表了人類在探索客觀世界中所取得的重大突破。與此同時(shí) ,人類社會(huì)也發(fā)生了翻天覆地的變化。高新技術(shù)產(chǎn)品的應(yīng)用 ,徹底改變了人類的生存方式和生活質(zhì)量。一方面 ,人類需要一種能夠代替自己進(jìn)行繁瑣勞動(dòng)的機(jī)器 ,另一方面 ,在一些危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境里 ,人類的自身?xiàng)l件限制了其探索的步伐 ,也急切需要一種替代的工具。所以 ,機(jī)器人成為能夠代替人類工作的機(jī)械裝置。可以想象 ,機(jī)器人作為人類的助手將受到更多的重視 ,其應(yīng)用也將更加廣泛。 所謂機(jī)器人 ,是一種可編程的、能執(zhí)行某些操作作業(yè)或移動(dòng)動(dòng)作的自動(dòng)控制機(jī)械。機(jī)器人技術(shù)是一種綜合了計(jì)一算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù) ,是當(dāng)前研究十分活躍且應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。自從 20 世紀(jì) 60 年代初世界第一臺(tái)機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世以來(lái) ,便表現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力。近半個(gè)世紀(jì)來(lái)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速 ,工業(yè)機(jī)器人己在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)器人的應(yīng)用情況 ,是一個(gè)國(guó)家工業(yè) 自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。 機(jī)器人的研究包括三個(gè)分支 ,機(jī)械臂 (Robot Arm)、機(jī)械腿 (Robot Leg)和機(jī)Ⅱ 械手 (Robot Hand)。這三個(gè)分支往往是分開(kāi)研究的 ,其中以對(duì)機(jī)械臂 (Robot Arm)的研究最為廣泛。對(duì)機(jī)械臂的研究可追溯到三十年前左右 ,最早始于斯坦福大學(xué)及麻省理工學(xué)院這樣有名望的學(xué)校。最早的想法來(lái)源于電遙控(Teleoperator)和數(shù)控機(jī)床 (Numerically Controlled Machine),把這兩項(xiàng)技術(shù)有效地結(jié)合在一起 ,便成為今天所說(shuō)的機(jī)械臂。 機(jī)械臂在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 最為廣泛。傳統(tǒng)的機(jī)械臂一般是由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、腕部和手部構(gòu)成。大臂與小臂以串聯(lián)方式聯(lián)接 ,所以也稱為串聯(lián)機(jī)械臂。通常 ,一個(gè)串聯(lián)機(jī)械臂就是由關(guān)節(jié)將剛性連桿連接在一起的連桿機(jī)構(gòu)?；谥圃旌涂刂撇僮飨鄬?duì)簡(jiǎn)單等方面考慮 ,機(jī)械臂通常只包括旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)關(guān)節(jié)和相互垂直或平行的軸線。從某種意義上說(shuō) ,串聯(lián)機(jī)械臂的發(fā)展從遙控機(jī)械手就已經(jīng)開(kāi)始。所謂遙控機(jī)械手是指在人類不能到達(dá)的工作環(huán)境中工作的主從式機(jī)械手。第一個(gè)主從式機(jī)械手是 1948 年〔驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝置。主從式機(jī)械手 `般具有六個(gè)白由度 ,能使所夾持的物體保持任意位置和姿態(tài)。多數(shù) 關(guān)節(jié)和人臂相似 ,都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)竹 ,這使得機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)人臂的運(yùn)動(dòng) ,并一且具有較大的活動(dòng)空間和靈活性。 Donald 在其博士論文中提出 :對(duì)于任何具有六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)并且三個(gè)相鄰關(guān)節(jié)軸線相交的串聯(lián)機(jī)械臂 ,其運(yùn)動(dòng)反解都能用閉合形式解出。這一理論對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了巨大的影響 ,直到1973 年辛辛那提米拉克龍公司開(kāi)發(fā)出 T3 機(jī)器人 ,所有的工業(yè)操作手都至少具有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。從此 ,多數(shù)工業(yè)機(jī)器人就成為具有六個(gè)自山度的操作手。這些機(jī)器人具有六個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié) ,并且它們末端的三個(gè)關(guān)節(jié)軸線垂直相交 ,這三個(gè)關(guān)節(jié)就形成了一個(gè) 球形的腕部 ,因此 ,它們就能達(dá)到任意位姿?？偨Y(jié)起來(lái) ,串聯(lián)機(jī)械臂一般具有以下的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) : (1)具有類人的結(jié)構(gòu) ,是說(shuō)它們具有 `肩” (第一個(gè)和第二個(gè)關(guān)節(jié) )、“肘” (第Ⅱ 三個(gè)關(guān)節(jié) )、“腕 ,39。(最后三個(gè)關(guān)節(jié) )。所以 ,它們總共具有六個(gè)自由度 ,能夠?qū)⑽矬w放置在任意一個(gè)位置。 (2)幾乎所有的商業(yè)機(jī)械臂只有轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)與移動(dòng)關(guān)節(jié) ,轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的制作成本較低 ,并且轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)能夠提供更加靈活的工作空間。 (3)串聯(lián)機(jī)械臂很笨重 ,它所承載的負(fù)荷與其自身重量之比為 1/10。 在最近 20 年中 ,機(jī)械臂技術(shù)有了巨大的發(fā)展 ,機(jī)械臂已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)及人們生活的各個(gè)方面。機(jī)械臂從能完成一些簡(jiǎn)單的抓取、放置、噴漆和焊接操作到能實(shí)現(xiàn)在印刷電路板上裝插集成電路芯片和在汽車(chē)工業(yè)中裝卸與