六自由度机器人结构设计、
运动学分析及仿真
学科：机电一体化
姓名：袁杰
指导老师：鹿毅
答辩日期： 2012.6
摘要
近二十年来，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。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此
研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义
的。
典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在
生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项
目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。
首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择
其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了
经验。
第1 章绪论
1.1 我国机器人研究现状
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。
我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要
目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。
我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。
1.2 工业机器人概述：
在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间
环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为：“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”
操作机定义为：“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”
一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等几部分组成。一般多自由度串联机器人具有4～6 个自由度，其中2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的位
置，其余2～3 个自由度决定了末端执行器在空间的姿态。
1.3 研究课题的提出
本研究课题是根据省教育厅《物流机器人操作研究与开发》课题的需要而提出的。工业机器人在FMS 中的一种典型应用如图1-1 所示。
图 1-1 工业机器人的一种典型应用
工业机器人固定在机床或加工中心旁边，由它们完成对加工工件的上、下料和装夹作业，通过输送线运送工件，实现物流的运转。当所要加工的产品放生变化、工件工艺流程改变时，就要调整柔性制造系统的布局。现在设想，将工业机器人固定在自动引导车（AGV）上，改变自动引导车的轨迹，就可以适应工件和工件工艺流程的变化，大大提高加工系统的柔性。
设想的机器人工作方式如图1-2 所示
图 1-2 可移动式机器人的应用
此外，对于这类小型的机器人，在原理不变的情况下，改变其结构，增强人机功能，将它固定在小型的移动装置或直接与移动装置结合成一体，就可以应用到日常生活中，如生活中物体的搬运、人员的看护等。
因此，设计开发这样一种可移动式、多自由度的小型机器人是有实际意义的。
1.4 本论文研究的主要内容
作者系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础
上，结合作者本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，主要进行以
下几项工作：
(1)进行机器人本体结构的方案创成、分析和设计。
(2) 进行机器人静力学学分析，
(3) 分析机器人操作臂的工作空间，根据分析结果对操作臂各个杆件的长度进行选择和确定。
第2 章机器人方案的创成和机械结构的设计
2.1 机器人机械设计的特点
串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节（或移动关节）连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩（或力）之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。
其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。
再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要
