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工业机器人的力学分析
姬清华
!平原大学机电工程学院"河南新乡
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!!摘
!要!随着机电一体化技术的迅速发展!工业机器人在工业生产中的地位越来越重要!本文
从工业机器人的力学分析入手!分别作了静力学和动力学的分析研究!为工业机器人手部及运动各
构件提供了力学的分析原理及方法"
关键词!工业机器人#静力学#动力学#力矩
中图分类号!
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作者简介!姬清华$
=@A8%&!男!河南新乡人!主要从事机电一体化及数控加工方面的研究"
!!随着工业机器人技术的发展"工业机器人的力
学分析变得至关重要$工业机器人力学分析主要包
括静力学分析和动力学分析"它们是工业机器人操
作机设计%控制器设计和动态仿真的基础$
P静力学分析
静力学分析是研究操作机在静态工作条件下"
手臂的受力情况$
P&P静力平衡方程
如图
=所示"为开式链手臂中单个杆件的受力
情况$杆件
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- 1 - 机器人动力学
机器人动力学是一门包含机器人控制、力学、运动学等多个专业的交叉学科，其目的在于研究复杂的机械系统和机器人的运动行为和控制方法。机器人动力学的研究方向涉及机器人的：机械学、运动学、控制学、信息学、人机交互、现代制造技术等。这种复合学科专门用于分析、模拟和控制机器人、机床以及其他机械系统的运动行为。
机器人动力学的基本内容简述如下：
首先，它涉及机器人的运动学理论和控制理论，包括机器人体系结构，构型及其各部分之间的相互作用，如关节、驱动器和传感器等。其次，它还包括机器人机械动力学理论，涉及机器人的运动特性，比如建模、仿真和控制，同时也涉及力学的本质、特性和应用，以及计算力学在机器人动力学中的应用。最后，它也涉及信息学，指的是研究机器人行为的算法、传感器和感知、人机交互以及数据挖掘和处理。
机器人动力学应用于工业机器人、生产机械、软件和控制系统等多个领域，主要帮助提高机器人和机械设备的性能，从而提高工业生产效率、节省能源以及降低生产成本。在精密加工领域尤其具有重要作用，比如机器视觉、机器雕刻和抛光，甚至是金属精加工等，在这些领域都能够发挥机器人动力学的优势。
另外，机器人动力学也可以应用于服务机器人、家用机器人，以及智能制造等行业。现在，家用机器人如洗地机器人、清洁机器人等已经广泛应用，可以节省家庭劳动力；而在智能制造和服务机器人方面，它也有着广泛的应用，可以有效解决行业内的生产管理、库存管 - 2 - 理、仓储管理和技术支撑等问题。
未来，机器人动力学将继续发展壮大，有望成为一门具有世界水平的学科。在未来，机器人动力学将继续发挥重要作用，将推动机器人和机器技术发展，为未来工业化生产提供必要的技术支持。
高速重工的码垛机器人的动力学分析
介绍
机器人的应用越来越广，重型机器人被广泛用于汽车冶金等领域。在重工业中，要求机器人的体积小，灵活，承载能力强，效率高。因此现代的机器人设计的时候要求刚度最大化，震动最小化，而高刚度的实现通常是通过用重型材料来实现，这样将会导致机械臂惯性较大，因此机器人的效率比较低，功耗较大。本文中提出了码垛机器人手臂的动态模型，找到机器人手臂的薄弱环节，并通过计算分析，已达到提高机器人的工作效率的目的。
建模与分析
图1为4自由度的码垛机器人，图二为码垛机器人的手臂模型。如图二所示，码垛机器人有两个平移运动2t，3t和3个平行四边形结构，其中的两个是为了保证末端执行器的运动由于连接两边都使用了轴承，工作时主要是他们起作用，因此简化图简化的时候删除了两个平行四边形机构，并且假设简化后的手臂结构能够承担正常情况下的力，如图2所示。机器人静止时没有里的作用，工作时由于力太大会导致某些薄弱环节可能会产生微小的位移移动，且移动量随着时间的变化而变化，时变位移在震动现象中扮演者重要的角色。
大臂的重量引起的位移移动相比于所运载的重物的重量可以忽略不计。定义在M点的力为MF,这样会导致在E处产生力矩EM,在C出会产生力矩cM，因此C,E,M这个杆可以得到下列力矩平衡公式：
LEM，LCE分别是EM，CE杆的长度。
杆CM有个微小的旋转位移，旋转位移可以根据虚功原理计算： C为联接点C移动量，LCE为CE杆的长度，E为杆DE的扭转角，可通过以下公式计算得到：
G是杆DE的剪切模量，A和hb分别是杆的截面积和壁厚。
假设在B点AC杆和BD杆弯变形量相同，假设作用力为BF，则反作用力为BF如图4所示
基于叠加原理，杆AC的变形量为
ACW是杆AC在力CF的作用下的形变量，ABW是杆AB在力BF的作用下的形变量，LBC是杆BC的长度，AB是杆AB末端的偏向角。
ACW、ABW、AB分别表示如下：
三自由度工业机器人动力学分析
摘要：近些年来，随着我国经济社会的迅猛发展，国内的工业化发展也随之获得了空前的发展机会。以工业用三自由度机器人为模型进行研究。首先通过拉格朗日功能平衡法来建立机器人的本体动力学模型，然后根据机器人的结构原理图和建立的坐标系推导出机器人的雅可比矩阵，再通过运动学逆解求出各个关节的运动角速度和角加速度。机器人的各个关节都采用PMSM来进行控制，通过PMSM的数学模型，得到电机的电磁转矩与负载转矩之间的联系，并用飞轮矩来表示转动惯量，并将转矩和飞轮矩通过减速器减速比折算到电机轴上，得到系统总的转动力矩，将得到的机器人的本体动力学模型与雅可比矩阵以及PMSM折算后的转矩相结合，就可以得到机器人完整的动力学模型，可以直观地看出电机各变变化与机器人位置以及速度之间的关系。
关键词：三自由度；工业机器人；动力学
引言
现在的服务型机器人当中的动力学运用比较广泛，如波士顿机器人的后空翻动作运用的是典型的动力学设计，但是在工业机器人领域当中，更多的是运用运动学来解决问题，动力学的运用相对来说就少之又少，现有的动力学中也以机器人的本体动力学为主，然而，机器人在运动的过程中必然会存在能量的消耗问题，而机器人的动力来源于电机，将电机模型和机器人本体动力学模型结合得到的动力学模型将全面考虑机器人的运动过程中的消耗问题，也将为日后的工业机器人的动力学研究打下基础。
1自由度的概述
在统计学中，自由度(degreeoffreedom,df)指的是计算某一统计量时，取值不受限制的变量个数。通常df=n-k。其中n为样本数量，k为被限制的条件数或变量个数，或计算某一统计量时用到其它独立统计量的个数。自由度通常用于抽样分布中。统计学上，自由度是指当以样本的统计量来估计总体的参数时，样本中独立或能自由变化的数据的个数，称为该统计量的自由度。一般来说，自由度等于独立变量减掉其衍生量数。举例来说，变异数的定义是样本减平均值(一个由样本决定的衍生量)，因此对N个随机样本而言，其自由度为N-1。
