工业机器人大作业

IRB1600型机器人的运动学分析及仿真目录1.引言................................................................................................................ - 2 -1.1 ABB公司简介.................................................................................... - 3 -1.2ABB发展历史 .................................................................................... - 4 -2. IRB1600 ........................................................................................................ - 5 -2.1 IRB1600的资料................................................................................. - 6 -2.2建立基于D-H方法的连杆坐标系 ................................................... - 8 -2.3建立六自由度点焊机器人的运动学方程....................................... - 10 -3. 虚拟样机的建立........................................................................................ - 12 -3.1 导入.................................................................................................. - 12 -3.2 添加约束副...................................................................................... - 13 -3.3 基于ADAMS的机器人运动学仿真 ............................................. - 14 -4. 结语............................................................................................................ - 18 -5. 参考资料.................................................................................................... - 19 -1.引言通过这学期对《机器人技术基础》这门课的学习，我对工业机器人有了一定的了解。

目录1 问题的描述 (1)2 问题解答 (2)2.0前言 (2)2.1分析自由度 (2)2.2-2.3位置反解与正解 (3)2.4奇异位形 (4)2.5工作空间 (6)2.6雅克比 (7)2.7力雅克比 (7)2.8柔度矩阵 (8)2.9机械图（3D） (8)2.10控制系统框图 (8)1 问题的描述如图1所示为并联机构简图，根据描述，求解一下各个问题。

图1 并联机构简图1.1自由度分析1.2位置反解1.3位置正解1.4奇异位形1.5工作空间1.6雅可比1.7力雅可比1.8柔度矩阵1.9机械图（3D）1.10控制系统框图（不写出具体参数，用字母代替就可以）单关节控制2 问题解答2.0前言并联机器人的结构中包含了一个或几个闭环，它是由一个或几个闭环组成的关节点坐标相互并联的机器人。

与传统的串联机器人相比，并联机器人刚度高、各向同性好、精度高，而且运动学反解求解简单，因此得到了广泛应用。

现对此机构进行运动学分析。

已有的二自由度并联机构多数为平面机构，这些机构都是使用移动副与转动副的组合，如将驱动装置固定在定平台，共有6种可能的机构构型，很多学者对其进行了研究与设计，其输出是机构上一点在一个平面上的移动。

在工程应用中，往往需要在平面内定位一个刚体，这就要求机构的输出是一个刚体的二维平动，高峰教授提出了平面二自由度并联机器人机构。

2.1分析自由度分析此机构的自由度，我们将并联机构图简化成图2所示简图进行分析。

图2 并联机构简图根据著名的G -K 公式，得如下自由度的计算公式：()∑=+--=ji i f j n F 11λ （1） 其中：λ——位形空间的维数；n——构件个数，含机架；j——运动副的个数；f i ——第i 个运动副的自由度数。

现在空间为平面，所以λ=3。

故：F =3(5−5−1)+5=2所以上述的并联机构的自由度为2，若该机构需要确定的运动，就需要两个原动构件。

2.2-2.3位置反解与正解图3所示为二自由度并联平面机构简图，其中1为固定平台，2为转动副，3为连杆，4为运动平台，5为滑块。

一、运动学正解程序及结果1、程序：syms x1x2x3x4x5x6d1d2d4a2a3x d aRx=[1 0 0 0;0 cos(x) -sin(x) 0;0 sin(x) cos(x) 0;0 0 0 1];Rz=[cos(x) -sin(x) 0 0;sin(x) cos(x) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1];Tx=[1 0 0 a;0 1 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1];Tz=[1 0 0 0;0 1 0 0;0 0 1 d;0 0 0 1];t=pi/180;y1=90;y2=-90;y3=-90;T01=subs(Rz,x,x1)*subs(Tz,d,d1)*subs(Rx,x,y1*t);T12=subs(Rz,x,x2)*subs(Tz,d,d2)*subs(Tx,a,a2);T23=subs(Rz,x,x3)*subs(Tx,a,a3)*subs(Rx,x,y3*t);T34=subs(Rz,x,x4)*subs(Tz,d,d4)*subs(Rx,x,y4*t);T45=subs(Rz,x,x5)*subs(Rx,x,90);T=T01*T12*T23*T34*T45;t=subs(T,{y1,y3,y4,y5},[pi/2,-pi/2,-pi/2,pi/2]);t= simplify(t);nx=t(1,1);ny=t(2,1);nz=t(3,1);ox=t(1,2);oy=t(2,2);oz=t(3,2);ax=t(1,3);ay=t(2,3);az=t(3,3);px=t(1,4);py=t(2,4);pz=t(3,4);结果：Nx=sin(x2 + x3)*cos(x1)*sin(x5) - cos(x5)*sin(x1)*sin(x4)+cos(x1)*cos(x2)*cos(x3)*cos(x4)*cos(x5) - cos(x1)*cos(x4)*cos(x5)*sin(x2)*sin(x3)Ny=cos(x1)*cos(x5)*sin(x4) + sin(x2 + x3)*sin(x1)*sin(x5)+cos(x2)*cos(x3)*cos(x4)*cos(x5)*sin(x1) - cos(x4)*cos(x5)*sin(x1)*sin(x2)*sin(x3)Nz=sin(x2 + x3)*cos(x4)*cos(x5) - cos(x2 + x3)*sin(x5)Ox=sin(x4)*(cos(x1)*sin(x2)*sin(x3) - cos(x1)*cos(x2)*cos(x3)) - cos(x4)*sin(x1)Oy=cos(x1)*cos(x4) - sin(x4)*(cos(x2)*cos(x3)*sin(x1) - sin(x1)*sin(x2)*sin(x3))Oz=-sin(x2 + x3)*sin(x4)Ax=cos(x1)*cos(x2)*cos(x3)*cos(x4)*sin(x5) - sin(x2 + x3)*cos(x1)*cos(x5) - sin(x1)*sin(x4)*sin(x5) - cos(x1)*cos(x4)*sin(x2)*sin(x3)*sin(x5)Ay=cos(x1)*sin(x4)*sin(x5) - sin(x2 + x3)*cos(x5)*sin(x1) + cos(x2)*cos(x3)*cos(x4)*sin(x1)*sin(x5) - cos(x4)*sin(x1)*sin(x2)*sin(x3)*sin(x5)Az=cos(x2 + x3)*cos(x5) + sin(x2 + x3)*cos(x4)*sin(x5)Px=d2*sin(x1) - d4*(cos(x1)*cos(x2)*sin(x3) + cos(x1)*cos(x3)*sin(x2)) + a2*cos(x1)*cos(x2) + a3*cos(x1)*cos(x2)*cos(x3) - a3*cos(x1)*sin(x2)*sin(x3)Py=a2*cos(x2)*sin(x1) - d2*cos(x1) - d4*(cos(x2)*sin(x1)*sin(x3) + cos(x3)*sin(x1)*sin(x2)) + a3*cos(x2)*cos(x3)*sin(x1) - a3*sin(x1)*sin(x2)*sin(x3)Pz=d1 + d4*cos(x2 + x3) + a3*sin(x2 + x3) + a2*sin(x2)二、绘制工作空间（一）正解1、程序syms x1x2x3x4x5x6d1d2d4a2a3x d aRx=[1 0 0 0;0 cos(x) -sin(x) 0;0 sin(x) cos(x) 0;0 0 0 1];Rz=[cos(x) -sin(x) 0 0;sin(x) cos(x) 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1];Tx=[1 0 0 a;0 1 0 0;0 0 1 0;0 0 0 1];Tz=[1 0 0 0;0 1 0 0;0 0 1 d;0 0 0 1];t=pi/180;T01=subs(Rz,x,x1)*subs(Tz,d,d1)*subs(Rx,x,90*t);T12=subs(Rz,x,x2)*subs(Tz,d,d2)*subs(Tx,a,a2);T23=subs(Rz,x,x3)*subs(Tx,a,a3)*subs(Rx,x,-90*t);T34=subs(Rz,x,x4)*subs(Tz,d,d4)*subs(Rx,x,-90*t);T45=subs(Rz,x,x5)*subs(Rx,x,90);T=T01*T12*T23*T34*T45;Px=T(1,4);Py=T(2,4);Pz=T(3,4);k=1;for th1=-160*t:10*t:160*tfor th2=-225*t:10*t:45*tfor th3=-45*t:10*t:225*tpx(k)=subs(Px,{x1,x2,x3,a2,a3,d1,d2,d4},[th1,th2,th3,431.8,20.32, 0,149.09,433.07]);py(k)=subs(Py,{x1,x2,x3,a2,a3,d1,d2,d4},[th1,th2,th3,431.8,20.32, 0,149.09,433.07]);pz(k)=subs(Pz,{x1,x2,x3,a2,a3,d1,d2,d4},[th1,th2,th3,431.8,20.32, 0,149.09,433.07]);k=k+1;endendendplot3(px,py,pz,'.');grid on2、结果俯视图3、总结：1).从图形看出，PUMA工作空间是一个中间为圆柱空心的椭球区域。

机器⼈技术及应⽤-⼤作业1⼀、D-H参数⼆、各连杆变换矩阵将D-H参数代⼊到连杆变换矩阵，得：三、各连杆⾄末端连杆的变换矩阵T43=T43T42=T32*T43;T41=T21*T42;Matlab 编程：clcclear allsyms af a d th realsyms d2 th1 th3 th4 realDH=[ 0 0 0 th1 ;-90 0 d2 0 ;90 0 0 th3 ;90 0 60 th4 ]; %DH参数for i=1:4af=DH(i,1) ; %取出DH参数a=DH(i,2) ;d=DH(i,3) ;th=DH(i,4);T{i}=[cos(th) -sin(th) 0 a;sin(th)*cos(af) cos(th)*cos(af) -sin(af) -d*sin(af) ; sin(th)*sin(af) cos(th)*sin(af) cos(af) d*cos(af) ;0 0 0 1 ] ; %连杆变换⽅程endT10=T{1}T21=T{2}T32=T{3}T43=T{4}T42=T32*T43T41=T21*T42四、雅可⽐矩阵雅可⽐矩阵结果：Matlab编程：clcclear allsyms d2 realsyms th1 th3 th4 realT21 =[ 1, 0, 0, 0;0, cos(90), sin(90), d2*sin(90);0, -sin(90), cos(90), d2*cos(90);0, 0, 0, 1];T32 =[ cos(th3), -sin(th3), 0, 0;cos(90)*sin(th3), cos(90)*cos(th3), -sin(90), 0;sin(90)*sin(th3), sin(90)*cos(th3), cos(90), 0;0, 0, 0, 1];T44=[ 1, 0, 0, 0;0, 1, 0, 0;0, 0, 1, 0;0, 0, 0, 1];T43 =[ cos(th4), -sin(th4), 0, 0;cos(90)*sin(th4), cos(90)*cos(th4), -sin(90), -60*sin(90); sin(90)*sin(th4), sin(90)*cos(th4), cos(90), 60*cos(90); 0, 0, 0, 1];T42=T32*T43n1=T41(1:3,1);o1=T41(1:3,2);a1=T41(1:3,3);p1=T41(1:3,4);n2=T42(1:3,1);o2=T42(1:3,2);a2=T42(1:3,3);p2=T42(1:3,4);n3=T43(1:3,1);o3=T43(1:3,2);a3=T43(1:3,3);p3=T43(1:3,4);n4=T44(1:3,1);o4=T44(1:3,2);a4=T44(1:3,3);p4=T44(1:3,4);Sp1=[0 -p1(3) p1(2);p1(3) 0 -p1(1);-p1(2) p1(1) 0] ; %位置⽮量的反对称矩阵Sp2=[0 -p2(3) p2(2);p2(3) 0 -p2(1);p2(2) p2(1) 0];Sp3=[0 -p3(3) p3(2);p3(3) 0 -p3(1);p3(2) p3(1) 0];Sp4=[0 -p4(3) p4(2);p4(3) 0 -p4(1);p4(2) p4(1) 0];pxn1=Sp1*n1;pxo1=Sp1*o1;pxa1=Sp1*a1;pxn2=Sp2*n2;pxo2=Sp2*o2;pxa2=Sp2*a2;pxo3=Sp3*o3;pxa3=Sp3*a3;pxn4=Sp4*n4;pxo4=Sp4*o4;pxa4=Sp4*a4;JL1=[pxn1(3) pxo1(3) pxa1(3)].' ;JL2=[pxn2(3) pxo2(3) pxa2(3)].' ;JL3=[pxn3(3) pxo3(3) pxa3(3)].' ;JL4=[pxn4(3) pxo4(3) pxa4(3)].' ;Ja1=[n1(3) o1(3) a1(3)].' ;Ja2=[n2(3) o2(3) a2(3)].' ;Ja3=[n3(3) o3(3) a3(3)].' ;Ja4=[n4(3) o4(3) a4(3)].' ;J1=[JL1 ; Ja1] ;J2=[JL2 ; Ja2] ;J3=[JL3 ; Ja3] ;J4=[JL4 ; Ja4] ;Jn=[J1 J2 J3 J4];JJn=vpa(Jn,2)五、关节驱动⼒如下图所⽰，杆各长设为li，受外⼒4F=（fx，fy）T静⼒传递：关节驱动⼒：设⼿抓坐标系原点受⼒：4F=[fx,fy,0]T 杆3受⼒：=fz fx f 033-=???=3030010*333fxl fzl fz fx l n杆2受⼒：-+=--===fz c fz s c fx s fz s s fx c fz fx c s s c c c s s s s c c f x R z R f R f 22112110*2202121121121)*,(*),(3321332322θθ-++-=?+=32232131321313332332322fxl c fxl fxl s c fzl s fxl s s fzl c f P n R n杆1受⼒：+---+=??-+-===fz c c fzs c fxs s fzs c fzs c fxs c s fzs fx c fz c fz s c fx s fz s s fx c c s s c f x R f R f 21)211(112)211(12112211211*110110001)*1,(22221211θ-+++++-=?+=321)231132(1132)231132(1213312221221211fxl c c s fxl c s fzl fxl s s fxl c s fxl c s fzl fxl c s s fxl fzl c f P n R n关节驱动⼒：关节1为转动关节：321)231132(11fxl c c s fxl c s fzl fxl s -++=τ关节2为移动关节：fz c 22=τ关节3为转动关节：33fxl -=τ六、速度与加速度分析操作臂的速度和加速度分析该机械⼿由四个关节组成，其中第⼆个关节为移动关节其余三个为转动关节，俩个连杆为l1和l2，应⽤递推法对末端构件的速度、⾓速度和雅克⽐矩阵计算如下所⽰，平⾯简图如下所⽰。

《机器人技术基础》大作业题目：班级：姓名：成绩：一、机器人功能描述（200字）具有供人观赏，娱乐为目的，具有机器人的外部特征，也可以像人，像某种动物等。

同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力，可以自主的连续表演事先编好的多套动作。

二、机器人系统的功能构成（框图+文字说明）驱动：电动传动机械结构系统：感受系统：智能传感器基本思路：通过对人类动作的深入了解，分析人类的动作特性，并且与控制对象跳舞机器人的工作原理、动作过程进行比较，从而确定机器人的基本构成并选择合适的机械构件，组装完成机器人的造型。

分析机器人动作的局限性与优势，设定机器人的舞蹈动作，按动作编写程序，完成作品设计。

跳舞机器人的结构完全模仿真人，并实现了双腿分立走路，双臂有很强的自由度，可以完成多种高难度动作。

机器人的双脚为轮式结构，这样不仅可以实现转身和滑步，更突出的优点是在走路时减少了重心的调整，从而减少了机器人的倾斜度，实现了类似真人的走路及跳舞模式。

舞蹈机器人的控制方式是将uC/OS-Ⅱ操作系统嵌入Atmega128处理器中,采用PID算法,对电机、舵机进行实时可靠的控制，进而对机器人主动轮的速度、方向进行有效的控制，使机器人的动作定位更加准确，动作过程更加优美协调。

机器人的双脚为轮式结构，此结构可以很完美地实现转身和滑步。

更突出的优点是在走路时减少了重心的调整，同时也克服了塑料构件机械强度不够高的局限性。

跳舞机器人完全实现了智能化运行，可以用相应软件通过编程实现对舵机的控制，做出各种不同的动作，带给人们另类娱乐。

它可以走进各种不同的场合，如：在学校用于科技教育学习；在家庭用于提供丰富的生活享受；用于社会可以增加更多的新型娱乐项目等。

随着社会对服务业的需求不断扩大，可以代替人的机器人将会有更广阔的前景从近几年世界范围内推出的机器人产品来看，机器人技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展。

其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的的开放化；PC化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化。

《机器人技术基础》课程考核大作业一、进行课程学习考核（大作业形式）的目的：工业机器人系统设计是专业选修课的一个理论与实践相结合的教学环节，是机械类基础课程的延伸，可以巩固和加强机械类基础课程学习和工程应用知识的拓展，可以为毕业设计和就业工作打下良好基础，其目的是：1、通过资料查询与整理，联系生产实际，运用所学过的知识，使学生得到对课题的论证与分析、问题解决对策、自主学习、团队合作等能力的培养。

2、利用机械类的前序课知识，学会并掌握工业机器人系统设计的特点及方法，学会并掌握工业机器人系统设计中“总体方案设计”、“参数设计”、“组成机构原理与分析”、“机械结构装置设计”、“控制系统设计”等方面的一般方法和技术要求。

3、加强机械设计中基本技能的训练，如：设计计算能力，运用有关设计资料、设计手册、标准、规范及经验数据的能力，以及机械、电气系统的综合运用能力。

二、同学可以选择的课题领域：（01）玻璃、陶瓷加工业用的工业机器人（02）化学工业中应用的工业机器人（03）建筑行业应用的工业机器人（04）塑料工业中应用的工业机器人（如：装配、搬运）（05）用于包装工业的工业机器人（06）电气和电子工业中应用的工业机器人：工件搬运和存放的工业机器人（07）医疗行业应用的工业机器人（如：医疗、残疾、家庭）（08）用于金属生产和加工的工业机器人（铸造机器人）（09）用于木加工业的工业机器人：木加工行业装配和搬运的工业机器人（10）用于食品供应和加工的工业机器人：食品工业中的装配和搬运的工业机器人（11）承担复杂机具搬运任务的工业机器人（12）搬运和托盘堆码应用的工业机器人（13）普通机械制造领域的装配和搬运作业的工业机器人（14）用于机床上下料件的工业机器人（15）用于粘接和密封的工业机器人（16）锻冶场所装卸的工业机器人（17）金属生产和加工业的装配和搬运的工业机器人（18）用于压铸和注模成型机装卸的工业机器人（19）用于车辆制造的焊接工业机器人（20）用于车辆制造的装配工业机器人（21）用于仓储、材料管理和控制及后勤的工业机器人：一般工厂自动化装配和搬运系统三、设计内容与要求：1．介绍所选工业机器人系统的组成及各部分的关系，理解其机、电组成系统的要求（包括：需求分析、功能分析与分解、功能求解与集成、设计方案的形成、方案的评价等），掌握工业机器人系统方案设计的主要进程以及各阶段的主要工作内容，初步领会工业机器人系统的设计方案及一般程序。

IRB1600型机器人的运动学分析及仿真目录1.引言................................................................................................................ - 2 -1.1 ABB公司简介.................................................................................... - 3 -1.2ABB发展历史 .................................................................................... - 4 -2. IRB1600 ........................................................................................................ - 5 -2.1 IRB1600的资料................................................................................. - 6 -2.2建立基于D-H方法的连杆坐标系 ................................................... - 8 -2.3建立六自由度点焊机器人的运动学方程....................................... - 10 -3. 虚拟样机的建立........................................................................................ - 12 -3.1 导入.................................................................................................. - 12 -3.2 添加约束副...................................................................................... - 13 -3.3 基于ADAMS的机器人运动学仿真 ............................................. - 14 -4. 结语............................................................................................................ - 18 -5. 参考资料.................................................................................................... - 19 -1.引言通过这学期对《机器人技术基础》这门课的学习，我对工业机器人有了一定的了解。

无锡科技职业学院中德机电学院
工业机器人技术大作业
设计题目搬运机器人设计与检修
学生姓名
系别控制系
专业
班级
授课教师龚运新
大作业的内容和要求(含技术要求、图表要求等)：
1、论述搬运机器人的机械设计部分
⑴叙述搬运机器人机械各部分名称及功能
⑵各部件图纸设计及要求（最低画出一个部件图纸）
2、叙述搬运机器人电气设计各部分名称及功能
3、画出搬运机器人电气控制电路图
4、编写部分搬运机器人控制子程序
5、叙述搬运机器人故障检修方法
1。

《机器人技术》大作业（2015年秋季学期）题目工业机器人概述姓名学号班级专业机械设计制造及其自动化报告提交日期2015年12月5日哈尔滨工业大学内容及要求1.以某种机器人(如搬运、焊接、喷漆、装配等工业机器人；服务机器人；仿生鱼、蛇等仿生机器人；军用及其它机器人等)为例，撰写一篇大作业，题目自拟，以下内容仅作参考：1) 机器人的机械结构设计(包括各部分名称、功能、传动等)；2) 机器人的运动学及动力学分析；3) 机器人的控制及轨迹规划；4) 驱动及伺服系统设计；5) 电气控制电路图及部分控制子程序。

2.题目自拟，拒绝雷同和抄袭；3.参考文献不少于7篇，其中至少有2篇外文文献；4.报告统一用该模板撰写，字数不少于5000字，上限不限；5.正文为小四号宋体，倍行距；图表规范，标注为五号宋体；6.用A4纸单面打印；左侧装订，1枚钉；7.提交打印稿及03版word电子文档，由班长收齐。

8.此页不得删除。

评语：成绩（20分）：教师签名：年月日工业机器人概述机器人学是当今世界极为活跃的研究领域之一，它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、人工智能等多种学科。

随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展，机器人已经成为人类的好帮手。

在航空航天，深海探测中，往往使用机器人代替人类去完成复杂的极限工作任务。

工业机器人是一个多功能、多自由度的机械和电气一体化的自动机械设备和系统，它可以在制造过程中完成各种任务。

它结合制造主机或生产线，可以形成一个单一的或多台机器自动化系统，在无人参与下，实现搬运、焊接、装配和喷涂等多种生产作业。

目前，工业机器人技术飞速发展，在生产中的应用日益广泛，已成为现代制造业重要的生产高度自动化设备。

一、工业机器人特性自20世纪60年代美国第一代机器人的开始，工业机器人的发展和应用迅速发展起来，工业机器人的最重要的特性概括如下。

1、可编程。

生产自动化的进一步发展是柔性自动化。

工业机器人能根据工作环境不同、做出相应规划和变化，因而在小批量多品种的高效柔性制造过程可以起到很好的作用，是柔性制造系统（FMS）的重要组成部分。