機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計-多關(guān)節(jié)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本設(shè)計及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)

2、立完成的，在完成設(shè)計時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　設(shè)計題目：多關(guān)節(jié)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究</p><p>　　1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標(biāo)&

3、lt;/p><p>　?。?）完成對多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)本體中結(jié)構(gòu)件、傳動系統(tǒng)的選型設(shè)計;</p><p>　　（2）利用軟件完成機(jī)構(gòu)各部分的仿真建模、裝配及運(yùn)動仿真。</p><p>　　2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容</p><p>　?。?）完成機(jī)構(gòu)本體零部件設(shè)計并撰寫設(shè)計說明書一份；</p><p>　　（2）完成零部件仿

4、真及裝配仿真一份；</p><p>　?。?）完成某一典型零部件的零件圖及裝配圖一份</p><p><b>　　3．主要參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計（第八版）[M].北京：高等教育出版社，2006.</p><p>　　（2）謝存禧，李琳.空間機(jī)構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新.北京：機(jī)械工業(yè)出

5、版社 ，2008</p><p>　?。?）于靖軍.機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ).北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ,2008</p><p><b>　　4.進(jìn)度安排</b></p><p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)研究</p><p>　　摘要：自從機(jī)器人在二十世紀(jì)五十年代誕生以來，它經(jīng)歷了第一代工業(yè)機(jī)器人的研究、實(shí)用化、普及，第

6、二代感知功能機(jī)器人的研究、實(shí)用化，以及第三代智能機(jī)器人的研究等各個階段。在六自由度機(jī)器人群體中，關(guān)節(jié)型機(jī)器人以工作范圍大、動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、能抓取靠近機(jī)座的物體等特點(diǎn)備受設(shè)計者和使用者的青睞。 </p><p>　　本次設(shè)計針對多關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。各個關(guān)節(jié)處采用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動。設(shè)計完成的機(jī)械手包括腰回轉(zhuǎn)、大小臂轉(zhuǎn)動、手臂回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)5個關(guān)節(jié)。它們具備以下功能：（1）實(shí)現(xiàn)末端的空間位置確定；（2

7、）實(shí)現(xiàn)末端的方位變化。本文對多關(guān)節(jié)機(jī)械手的多種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比較，確定了最佳的結(jié)構(gòu)方案；對各關(guān)節(jié)的傳動和電機(jī)的選擇進(jìn)行了設(shè)計計算，并對部分零件進(jìn)行建模和運(yùn)動仿真。</p><p>　　關(guān)鍵詞：多關(guān)節(jié)，機(jī)械臂，五自由度，運(yùn)動仿真</p><p>　　Mechanism design and Technology research of the Multi-joint Manipulator&l

8、t;/p><p>　　Abstract:Since the robot birthed in the 1950s, it has experienced three stages as following: the first generation 

9、industry robot’s research, practical application and popularization, the second generation sensational function robot’s research and practical

10、60;application, as well as the third generation intelligence robot’s research. In the group of six degrees of freedom robots, 

11、;the articulated robot is cared by designer and user for its broad work range, flexible movement,compact structure, catch</p>&l

12、t;p>　　the structure of the articulated manipulator was designed,which has six degrees of freedom. Each joint is drived by the&#

13、160;independent electric motor. The manipulator designed  includs  waist rotary joint, big arm rotary joint, small arm rotary 

14、;joint, the arm rotation, skill swinging and the skill rotary joint. They have function as following: (1) realize terminal sp

15、ace position determination; (2) realize terminal change of location.The best plan is selected through compareing with many kinds o

16、f st</p><p>　　Key words:  articulated manipulator ,Structural design,Industrial manipulator </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><

17、;b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 機(jī)械臂的研究意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3 Matlab軟件的介紹5</p><p>　　1.3.1 Matlab的發(fā)展史5</p><p>　　1.3.2 Matlab的特點(diǎn)5<

18、/p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容6</p><p>　　2 各種機(jī)構(gòu)比較以及選型8</p><p>　　2.1 四大類傳動優(yōu)缺點(diǎn)比較8</p><p>　　2.2 機(jī)械傳動方式8</p><p>　　2.2.1 齒輪傳動8</p><p>　　2.2.2 蝸輪蝸桿傳動8<

19、/p><p>　　2.2.3 帶傳動9</p><p>　　2.2.4 鏈傳動10</p><p>　　2.2.5 輪系10</p><p>　　2.3 電氣傳動方式11</p><p>　　2.4 液壓傳動方式12</p><p>　　2.5 氣壓傳動方式13</p>&

20、lt;p>　　2.6 機(jī)構(gòu)的選型14</p><p>　　3 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計15</p><p>　　3.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計15</p><p>　　3.1.1 引言15</p><p>　　3.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計15</p><p>　　3.1.3 機(jī)械爪的設(shè)計15</p>&

21、lt;p>　　3.1.4 舵機(jī)臂關(guān)節(jié)的設(shè)計16</p><p>　　3.1.5 電機(jī)臂關(guān)節(jié)的設(shè)計16</p><p>　　3.1.6 皮帶帶動整個機(jī)械臂的設(shè)計17</p><p>　　3.1.7 軸的設(shè)計及固定17</p><p>　　3.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的設(shè)計參數(shù)17</p><p>　　3.2.1

22、多關(guān)節(jié)機(jī)械臂性能參數(shù)17</p><p>　　3.2.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算18</p><p>　　4 基于PRO/E五自由度機(jī)械臂的建模及運(yùn)動學(xué)分析21</p><p>　　4.1 五自由度機(jī)械臂建模21</p><p>　　4.2 連桿坐標(biāo)系23</p><p>　　4.2.1 建立連桿坐標(biāo)系的D-H

23、方法23</p><p>　　4.2.2 建立基于D-H方法的坐標(biāo)系24</p><p>　　4.3 運(yùn)動學(xué)建模26</p><p>　　4.3.1 正運(yùn)動學(xué)問題27</p><p>　　4.3.2 逆運(yùn)動學(xué)問題28</p><p>　　4.4 基于MATLAB運(yùn)動學(xué)仿真29</p><

24、p>　　4.5 本章小結(jié)33</p><p>　　5 結(jié)論與展望34</p><p>　　5.1 研究工作總結(jié)34</p><p>　　5.2 后續(xù)工作展望34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　致 謝36</b>

25、;</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 機(jī)械臂的研究意義</p><p>　　從古至今,人類探索客觀世界和尋求自身發(fā)展的活動從來不曾停止。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。在上個世紀(jì),隨著科技的高速發(fā)展,人類的活動空間得到了迅速擴(kuò)展,如極地探索、火星探索、月球登陸等,都代

26、表了人類在探索客觀世界中所取得的重大突破。與此同時,人類社會也發(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)行繁瑣勞動的機(jī)器,另一方面,在一些危險惡劣的環(huán)境里,人類的自身條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?？梢韵胂?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。</p><p>

27、　　所謂機(jī)器人,是一種可編程的、能執(zhí)行某些操作作業(yè)或移動動作的自動控制機(jī)械。機(jī)器人技術(shù)是一種綜合了計一算機(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年代初世界第一臺機(jī)器人在美國問世以來,便表現(xiàn)出很強(qiáng)的生命力。近半個世紀(jì)來機(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,是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。</

28、p><p>　　機(jī)器人的研究包括三個分支,機(jī)械臂(Robot Arm)、機(jī)械腿(Robot Leg)和機(jī)械手(Robot Hand)。這三個分支往往是分開研究的,其中以對機(jī)械臂(Robot Arm)的研究最為廣泛。對機(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。最早的想法來源于電遙控(Teleoperator)和數(shù)控機(jī)床(Numerically Controlled Machin

29、e),把這兩項技術(shù)有效地結(jié)合在一起,便成為今天所說的機(jī)械臂。</p><p>　　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唵蔚确矫婵紤],機(jī)械臂通常只包括旋轉(zhuǎn)或移動關(guān)節(jié)和相互垂直或平行的軸線。從某種意義上說,串聯(lián)機(jī)械臂的發(fā)展從遙控機(jī)

30、械手就已經(jīng)開始。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。第一個主從式機(jī)械手是1948年驅(qū)動的機(jī)械裝置。主從式機(jī)械手一般具有六個白由度,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)動關(guān)竹,這使得機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)人臂的運(yùn)動,并一且具有較大的活動空間和靈活性。Donald L.Pieper在其博士論文中提出:對于任何具有六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)并且三個相鄰關(guān)節(jié)軸線相交的串聯(lián)機(jī)械臂,其運(yùn)動反解都能用閉合形式解出。這一

31、理論對工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計產(chǎn)生了巨大的影響,直到1973年辛辛那提·米拉克龍公司開發(fā)出T3機(jī)器人,所有的工業(yè)操作手都至少具有一個移動關(guān)節(jié)。從此,多數(shù)工業(yè)機(jī)器人就成為具有六個自山度的操作手。這些機(jī)器人具有六個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),并且它們末端的</p><p>　　(1)具有類人的結(jié)構(gòu),是說它們具有“肩”(第一個和第二個關(guān)節(jié))、“肘”(第三個關(guān)節(jié))、“腕”(最后三個關(guān)節(jié))。所以,它們總共具有六個自由度,能夠?qū)⑽矬w放置在任

32、意一個位置。</p><p>　　(2)幾乎所有的商業(yè)機(jī)械臂只有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與移動關(guān)節(jié),轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的制作成本較低,并且轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)能夠提供更加靈活的工作空間。</p><p>　　(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1/10。</p><p>　　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)及人們生活的各個方面。機(jī)械臂從能完成一些簡單的

33、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工業(yè)中裝卸與傳送零件這樣復(fù)雜的操作。機(jī)械臂在危險環(huán)境、微型外科手術(shù)和微型機(jī)電裝置等領(lǐng)域的應(yīng)用正成為機(jī)器人學(xué)研究的新領(lǐng)域,機(jī)器人的應(yīng)用已成為衡量某些工廠自動化程度的標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　1.2 國內(nèi)外現(xiàn)狀</b></p><p>　　在國外,瑞士鐘表匠德羅斯父子于公元1768至1772

34、年間設(shè)計制造出了三個類似真人的機(jī)器人—寫字偶人、繪圖偶人和彈琴偶人。捷克斯洛伐克作家KarelCapek于1920年在他的劇本“羅薩姆萬能機(jī)器人公司”(RUR)中,塑造了只會勞動不會思維的機(jī)器人形象,也正是在這個劇本中第一次出現(xiàn)“Robota”一詞?，F(xiàn)在,人們通常應(yīng)用到的機(jī)器人與幻想中的機(jī)器人還是不完全一樣的?，F(xiàn)實(shí)中的機(jī)器人是“一種能夠進(jìn)行編程并在自動控制下執(zhí)行某種操作和移動作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置”。如今,機(jī)器人在各個領(lǐng)域都得到了應(yīng)用,如工

35、業(yè)、航空航天業(yè)、服務(wù)業(yè)等。在這些領(lǐng)域中,工業(yè)無疑是機(jī)器人應(yīng)用最早也是最成熟的領(lǐng)域。1962年,美國萬能自動化(Unimation)公司的第一臺機(jī)器人Unimate在美國通用汽車公司(GM)投入使用,這標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。第一臺工業(yè)機(jī)器人問世后頭十年,即從二十世紀(jì)六十年代初期到七十年代初期,機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢,許多研究單位和公司所作的努力均未獲得成功。這一階段的主要成果有美國斯坦福國際研究所(SRI)于1968年研制的移動式智

36、能機(jī)器人夏凱(Shakey)和辛辛那提·米拉克龍(Cincinnat</p><p>　　圖 1.1 醫(yī)療機(jī)械臂</p><p>　　目前機(jī)器人在工業(yè)發(fā)達(dá)國家得到了迅速發(fā)展,尤其是日本發(fā)展更為迅猛,擁有量占全世界機(jī)器人總數(shù)的50%左右,一直保持“機(jī)器人王國”地位。除日本外,世界上還有許多工業(yè)發(fā)達(dá)國家,如美國、俄羅斯和西歐一些國家的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)也發(fā)展得很快。盡管美國擁有的機(jī)器人在臺

37、數(shù)上不如日本,但其技術(shù)水平較高,占有一定的優(yōu)勢。</p><p>　　經(jīng)過近十年的努力，我國在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用公車的開發(fā)方面已具有相當(dāng)?shù)膶?shí)力，已有一支了解企業(yè)需求，能開發(fā)出符合實(shí)際使用條件應(yīng)用工程，成本低，服務(wù)及時，具備與國外公司的競爭能力，因此加強(qiáng)工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程的開發(fā)，并圍繞應(yīng)用工程的需要進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人新產(chǎn)品的開發(fā)，使之具有一定的規(guī)?；a(chǎn)能力，這樣可以促進(jìn)我國企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和提高競爭力，同時工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

38、也可以形成具有一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　工業(yè)機(jī)器人在許多生產(chǎn)領(lǐng)域的使用實(shí)踐證明,它在提高生產(chǎn)自動化水平、提高勞動生產(chǎn)率和提高產(chǎn)品質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益、改善工人勞動條件等方面,有著令人矚目的作用。工業(yè)機(jī)器人必將得到更快速的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。 </p><p>　　圖1.2 工業(yè)裝備機(jī)械臂 圖1.3 空間機(jī)械臂</p>

39、<p>　　從近幾年世界推出的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品來看,未來工業(yè)機(jī)器人有如下發(fā)展趨勢:</p><p>　?。?）高級智能化以己憶、視覺、力覺、分析解決問題、推理和學(xué)習(xí)；</p><p>　　（2）結(jié)構(gòu)一體化、應(yīng)用廣泛化(家庭、探險和軍警等)；</p><p>　?。?）產(chǎn)品微型化(納米級醫(yī)療機(jī)器人)；</p><p>　?。?）組件和

40、構(gòu)件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化；</p><p>　?。?）高精度和高可靠性。</p><p>　　機(jī)器人工業(yè)是一個正在高速崛起的產(chǎn)業(yè),它逐漸成為促進(jìn)社會化大生產(chǎn)發(fā)展的重要力量。隨著信息時代的到來和世界經(jīng)濟(jì)競爭的不斷加劇,工業(yè)機(jī)器人在未來的生產(chǎn)中必將擔(dān)任更加重要的角色。而機(jī)器人技術(shù)的廣泛應(yīng)用必將推動科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生另一次飛躍。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻完善,它必將在人類社會發(fā)展中發(fā)

41、揮更加重要的作用。</p><p>　　1.3 Matlab軟件的介紹</p><p>　　1.3.1 Matlab的發(fā)展史</p><p>　　Moler教授創(chuàng)造的。Matlab即英文名MATrix LABoratory的縮寫，最早是由New Mexico大學(xué)的Cleve 1980年前后，Cleve Moler教授在給學(xué)生講授線性代數(shù)時，讓學(xué)生使用當(dāng)時的線性代數(shù)

42、軟件包LINPACK和基于特征計算的軟件包EISPACK，求解線性代數(shù)問題。在使用過程中，Cleve Moler教授發(fā)現(xiàn)學(xué)生花費(fèi)了很多時間用在編寫接口函數(shù)上。為了方便學(xué)生使用，他便自己動手寫接口函數(shù)，并命名為Matlab。</p><p>　　早期的Matlab是用在FORTRAN語言的編寫，后來改用C語言編寫，并與1984年由Math Works公司推出第1版。其后Matlab不斷推出新的版本，功能越來越強(qiáng)。1

43、993年推出了微機(jī)版，可在Windows 3.x上使用。1997年，推出了Matlab 5.0，支持單元數(shù)組、結(jié)構(gòu)數(shù)組、多維數(shù)組等。</p><p>　　1.3.2 Matlab的特點(diǎn)</p><p>　　Matlab自1984年由Math Works公司推向市場以來，經(jīng)歷了二十多年的發(fā)展和競爭，現(xiàn)已風(fēng)靡世界?？煽康臄?shù)值計算和符號計算功能、強(qiáng)大的繪圖功能、簡單易學(xué)的語言體系以及為數(shù)眾多的應(yīng)

44、用工具箱是Matlab區(qū)別于其他科技應(yīng)用軟件的顯著標(biāo)志。Matlab的主要特點(diǎn)有以下7點(diǎn)：</p><p>　?。?）數(shù)值計算與符號計算功能</p><p>　　Matlab以矩陣作為數(shù)據(jù)操作的基本單位，這使得矩陣運(yùn)算變得非常簡捷、方便、高效。Matlab還提供了十分豐富的數(shù)值計算函數(shù)，而且所采用的數(shù)值算法都是國際公認(rèn)最先進(jìn)的、可靠的算法。</p><p>　　在實(shí)

45、際應(yīng)用中，除了數(shù)值計算外，往往要得到問題的解析解，這屬于符號計算的領(lǐng)域。Matlab和著名的計算語言Maple相結(jié)合，使其具有了符號計算的功能。</p><p><b>　?。?）繪圖功能</b></p><p>　　Matlab的繪圖功能十分強(qiáng)大，其高層繪圖命令簡單明了，不僅容易為用戶所掌握，而且也是最常用的。底層繪圖命令控制盒表現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形的能力強(qiáng)，靈活多變。<

46、;/p><p>　　Matlab有一系列的繪圖命令和函數(shù)，為用戶進(jìn)行各種繪圖操作提供了極大便利。列如線性坐標(biāo)、對數(shù)坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)以及極坐標(biāo)，均只調(diào)用不同的繪圖函數(shù)和命令，在圖上標(biāo)出題、X軸、Y軸即可；格柵的繪制也只需調(diào)用相應(yīng)的命令，簡單易行。</p><p><b>　?。?）編程效率高</b></p><p>　　Matlab語法簡單，許多語句

47、類似于通常的數(shù)學(xué)表達(dá)式，再加上運(yùn)用數(shù)學(xué)函數(shù)庫，使的許多在C語言中需要大量語句處理的問題，變得簡短，明了。</p><p><b>　?。?）語言體系</b></p><p>　　Matlab具有程序結(jié)構(gòu)控制、函數(shù)調(diào)用、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入/輸出、面向?qū)ο蟮瘸绦蛘Z言，所以也可以像使用BASIC、FORTRAN、C等傳統(tǒng)編程語言一樣，使用Matlab語言編程進(jìn)行程序設(shè)計，而且簡

48、單易學(xué)，編程效率高。</p><p><b>　?。?）圖形用戶界面</b></p><p>　　在Matlab中，既可以像Visual Basic一樣互創(chuàng)建圖形用戶界面，也可以通過編程的方式創(chuàng)建圖形用戶界面，這也為用戶根據(jù)自己的需要創(chuàng)建圖形用戶界面提供了方便。</p><p>　　（6）開放性、可擴(kuò)展性強(qiáng)</p><p&g

49、t;　　Matlab語言具有豐富的庫函數(shù)和開放性，在進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算時可以直接調(diào)用；開放性是Matlab廣受歡迎的原因之一，除了內(nèi)部函數(shù)以外，所有的Matlab的核心文件和工具箱文件都是可讀可改的源文件。</p><p>　?。?）Matlab工具箱</p><p>　　Matlab包含兩部分內(nèi)容：基本部分和各種可選的工具箱?；静糠謽?gòu)成了Matlab的核心內(nèi)容，也是使用和構(gòu)造工具箱的基

50、礎(chǔ)。Matlab工具箱分為兩大類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　論文的選題來自本文以實(shí)驗室自行研發(fā)的五自由度機(jī)械臂為研究對象，對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、控制方面的分析、建模和仿真，為其優(yōu)化設(shè)計和控制系統(tǒng)的建立打基礎(chǔ)。</p><p>　?。?） 簡要介紹工業(yè)機(jī)器人的定義、發(fā)展、分類和應(yīng)用，對機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)

51、、動力學(xué)、控制和仿真等在國內(nèi)外的研究情況進(jìn)行綜述，闡述課題來源，敘述論文各章節(jié)的具體研究內(nèi)容。</p><p>　?。?） 比較機(jī)械臂各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場合，對各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類，比較特點(diǎn)。并對本次設(shè)計的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型。</p><p>　　（3） 闡述對已選擇機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包括機(jī)械爪的抓取機(jī)構(gòu)，各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)。</p><p>　?。?） 基于PRO/E

52、對五自由度機(jī)械臂建模，簡要介紹建立連桿坐標(biāo)系的修改的D-H方法，并基于修改的D-H方法建立機(jī)械臂各連桿的坐標(biāo)系。對機(jī)械臂進(jìn)行正向運(yùn)動學(xué)分析。計算出機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)方程。對機(jī)械臂進(jìn)行逆向運(yùn)動學(xué)分析，通過矩陣運(yùn)算和方程求解，求得機(jī)械臂逆運(yùn)動學(xué)問題的代數(shù)解?；贛ATLAB的Robotics Toolbox和修改D-H方法。建立機(jī)械臂MATLAB數(shù)學(xué)模型，并運(yùn)用數(shù)值計算和可視化仿真的方法分別進(jìn)行機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)、逆運(yùn)動學(xué)仿真，仿真結(jié)果驗證了理論分

53、析結(jié)果。</p><p>　?。?） 闡述結(jié)論與展望。</p><p>　　2 各種機(jī)構(gòu)比較以及選型</p><p>　　2.1 四大類傳動優(yōu)缺點(diǎn)比較</p><p>　　在目前四大類傳動方式(機(jī)械、電氣、液壓和氣壓)中，沒有一種動力傳動是十全十美的。以下是四大類傳動方式優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　2.2 機(jī)械傳動方

54、式</p><p>　　2.2.1 齒輪傳動</p><p>　?。?）分類：平面齒輪傳動、空間齒輪傳動（如圖2.1所示）</p><p>　?。?）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：適用的圓周速度和功率范圍廣；傳動比準(zhǔn)確、穩(wěn)定、效率高；工作可靠性高、壽命長；可實(shí)現(xiàn)平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間的傳動。</p><p>　　缺點(diǎn)：要求較高的制造和安裝精度、

55、成本較高；不適宜遠(yuǎn)距離兩軸之間的傳動。</p><p>　　漸開線標(biāo)準(zhǔn)齒輪基本尺寸的名稱有：齒頂圓；齒根圓；分度圓；摸數(shù)；壓力角等。</p><p><b>　　圖2.1 齒輪傳動</b></p><p>　　2.2.2 蝸輪蝸桿傳動</p><p>　　適用于空間垂直而不相交的兩軸間的運(yùn)動和動力（如圖2.2所示）。&l

56、t;/p><p>　　(1) 特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：傳動比大；結(jié)構(gòu)尺寸緊湊。</p><p>　　缺點(diǎn)：軸向力大、易發(fā)熱、效率低；只能單向傳動。</p><p>　　渦輪渦桿傳動的主要參數(shù)有：模數(shù)；壓力角；蝸輪分度圓；蝸桿分度圓；導(dǎo)程；蝸輪齒數(shù)；蝸桿頭數(shù)；傳動比等。</p><p>　　圖2.2 蝸輪蝸桿傳動</p><p><

57、;b>　　2.2.3 帶傳動</b></p><p>　　包括：主動輪、從動輪 ；環(huán)形帶（如圖2.3所示）</p><p>　　（1）用于兩軸平行回轉(zhuǎn)方向相同的場合，稱為開口運(yùn)動，中心距和包角的概念。</p><p>　?。?）帶的型式按橫截面形狀可分為平帶、V帶和特殊帶三大類。</p><p>　?。?）應(yīng)用時重點(diǎn)是：傳動

58、比的計算；帶的應(yīng)力分析計算；單根V帶的許用功率。</p><p>　?。?）帶傳動的特點(diǎn)：</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)： 適用于兩軸中心距較大的傳動；帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動；過載時打滑防止損壞其他零部件；結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。</p><p>　　缺點(diǎn)： 傳動的外廓尺寸較大；需張緊裝置； 由于打滑，不能保證固定不變的傳動比 ；帶的壽命較短；傳動效率較低。

59、</p><p><b>　　圖2.3 帶傳動</b></p><p><b>　　2.2.4 鏈傳動</b></p><p>　　鏈傳動（如圖2.4所示）包括：主動鏈、從動鏈 ；環(huán)形鏈條。鏈傳動與齒輪傳動相比，其主要特點(diǎn)：制造和安裝精度要求較低；中心距較大時，其傳動結(jié)構(gòu)簡單；瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數(shù)，傳動平穩(wěn)性較差。

60、</p><p><b>　　圖2.4 鏈傳動</b></p><p><b>　　2.2.5 輪系</b></p><p>　?。?）輪系分為定軸輪系和周轉(zhuǎn)輪系兩種類型（如圖2.5所示）。</p><p>　?。?）輪系中的輸入軸與輸出軸的角速度(或轉(zhuǎn)速)之比稱為輪系的傳動比。等于各對嚙合齒輪中所

61、有從動齒輪齒數(shù)的乘積與所有主動齒輪齒數(shù)乘積之比。</p><p>　　（3） 在周轉(zhuǎn)輪系中，軸線位置變動的齒輪，即既作自轉(zhuǎn)，又作公轉(zhuǎn)的齒輪，稱為行星輪,軸線位置固定的齒輪則稱為中心輪或太陽輪。</p><p>　?。?） 周轉(zhuǎn)輪系的傳動比不能直接用求解定軸輪系傳動比的方法來計算，必須利用相對運(yùn)動的原理，用相對速度法(或稱為反轉(zhuǎn)法)將周轉(zhuǎn)輪系轉(zhuǎn)化成假想的定軸輪系進(jìn)行計算。</p>

62、<p>　?。?） 輪系的主要特點(diǎn)：</p><p>　　適用于相距較遠(yuǎn)的兩軸之間的傳動；可作為變速器實(shí)現(xiàn)變速傳動；可獲得較大的傳動比；實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的合成與分解。</p><p>　　圖 2.5 定軸輪系與周轉(zhuǎn)輪系</p><p>　　2.3 電氣傳動方式</p><p>　?。?）精確度高：伺服電機(jī)作為動力源，由滾珠絲杠和同步皮帶

63、等組成結(jié)構(gòu)簡單而效率很高的傳動機(jī)構(gòu)。它的重復(fù)精度誤差是0.01%。</p><p>　　（2）節(jié)省能源：可將工作循環(huán)中的減速階段釋放的能量轉(zhuǎn)換為電能再次利用，從而減低了運(yùn)行成本，連接的電力設(shè)備僅是液壓驅(qū)動所需電力設(shè)備的25%。</p><p>　?。?）精密控制：根據(jù)設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)精確控制，在高精度傳感器、計量裝置、計算機(jī)技術(shù)支持下，能夠大大超過其他控制方式能達(dá)到的控制精度。</p&g

64、t;<p>　?。?）改善環(huán)保水平：由于使用能源品種的減少及其優(yōu)化的性能，污染源減少了，噪音降低了，為工廠的環(huán)保工作，提供了更良好的保證。</p><p>　?。?）降低噪音：其運(yùn)行噪音值低于70分貝，大約是液壓驅(qū)動注塑機(jī)噪音值的2/3。</p><p>　　（6）節(jié)約成本：此機(jī)去除了液壓油的成本和引起的麻煩，沒有硬管或軟喉，無須對液壓油冷卻，大幅度降低了冷卻水成本等。（如圖

65、2.6所示直流電機(jī)和舵機(jī)）</p><p>　　圖 2.6 直流電機(jī)和舵機(jī)</p><p>　　2.4 液壓傳動方式</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）從結(jié)構(gòu)上看，其單位重量的輸出功率和單位尺寸輸出功率在四類傳動方式中是力壓群芳的，有很大的力矩慣量比，在傳遞相同功率的情況下，液壓傳動裝

66、置的體積小、重量輕、慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、布局靈活。</p><p>　　（2）從工作性能上看，速度、扭矩、功率均可無級調(diào)節(jié)，動作響應(yīng)性快，能迅速換向和變速，調(diào)速范圍寬，調(diào)速范圍可達(dá)100：l到2000：1；動作快速性好，控制、調(diào)節(jié)比 較簡單，操縱比較方便、省力，便于與電氣控制相配合，以及與CPU(計算機(jī))的連接，便于實(shí)現(xiàn)自動化。</p><p>　?。?）從使用維護(hù)上看，元件的自潤滑性好，易

67、實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)與保壓，安全可靠；元件易于實(shí)現(xiàn)系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。</p><p>　?。?）所有采用液壓技術(shù)的設(shè)備安全可靠性好。</p><p>　?。?）經(jīng)濟(jì)：液壓技術(shù)的可塑性和可變性很強(qiáng)，可以增加柔性生產(chǎn)的柔度，和容易對生產(chǎn)程序進(jìn)行改變和調(diào)整，液壓元件相對說來制造成本也不高，適應(yīng)性比較強(qiáng)。</p><p>　　（6）液壓易與微機(jī)控制等新技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成“機(jī)-電

68、-液-光”一體化已成為世界發(fā)展的潮流，便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）液壓傳動因有相對運(yùn)動表面不可避免地存在泄漏，同時油液不是絕對不可壓縮的，加上油管等彈性變形，液壓傳動不能得到嚴(yán)格的傳動比，因而不能用于如加工螺紋齒輪等機(jī)床的內(nèi)聯(lián)傳動鏈中。</p><p>　?。?）油液流動過程中存在沿?fù)p

69、失、局部損失和泄漏損失，傳動效率較低，不適宜遠(yuǎn)距離傳動。</p><p>　　（3）在高溫和低溫條件下，采用液壓傳動有一定的困難。</p><p>　　（4）為防止漏油以及為滿足某些性能上的要求，液壓元件制造精度要求高，給使用與維修保養(yǎng)帶來一定困難。</p><p>　　（5）發(fā)生故障不易檢查，特別是液壓技術(shù)不太普及的單位，這一矛盾往往阻礙著液壓技術(shù)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用

70、。液壓設(shè)備維修需要依賴經(jīng)驗，培訓(xùn)液壓技術(shù)人員的時間較長。（如圖2.7所示）</p><p>　　圖 2.7 液壓傳動</p><p>　　2.5 氣壓傳動方式</p><p><b>　　優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便，與液壓傳動相比不必設(shè)

71、置回收的油箱和管道。</p><p>　?。?）因空氣的粘度很?。s為液壓油動力粘度的萬分之一），其損失也很小，所以便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送。外泄漏不會像液壓傳動那樣嚴(yán)重污染環(huán)境。</p><p>　?。?）與液壓傳動相比，氣壓傳動動作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問題。</p><p>　?。?）工作環(huán)境適應(yīng)性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、

72、強(qiáng)磁、輻射、振動等惡劣工作環(huán)境中，比液壓、電子、電氣控制優(yōu)越。</p><p>　　（5）成本低，過載能自動保護(hù)。</p><p><b>　　缺點(diǎn)：</b></p><p>　?。?）由于空氣具有可壓縮性，因此工作速度穩(wěn)定性稍差。但采用氣液聯(lián)動裝置會得到較滿意的效果。</p><p>　?。?）因工作壓力低（一般為0.

73、31.0MPa），又因結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，總輸出力不宜大于10～40kN。</p><p>　　（3）噪聲較大，在高速排氣時要加消聲器。</p><p>　?。?）氣動裝置中的氣信號傳遞速度在聲速以內(nèi)比電子及光速慢，因此，氣動控制系統(tǒng)不宜用于元件級數(shù)過多的復(fù)雜回路。（如圖2.8所示氣缸）</p><p><b>　　圖 2.8 氣缸</b><

74、;/p><p><b>　　2.6 機(jī)構(gòu)的選型</b></p><p>　　對于機(jī)械爪的傳動機(jī)構(gòu)選擇工作介質(zhì)獲得比較容易、傳動動作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡單、工作介質(zhì)清潔的氣缸，可以快速準(zhǔn)確的抓取東西；而小臂上面則選擇重量小，精度高的舵機(jī)；大臂則選擇傳動力矩大且重量也較大的直流電機(jī)，可以提供大的力矩；大臂上電機(jī)與小臂采用齒輪傳動，傳動比準(zhǔn)確、穩(wěn)定、效率高、工作可靠性高、壽命長

75、；而底座的轉(zhuǎn)動則采用兩軸中心距較大的傳動；帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動，過載時打滑防止損壞其他零部件，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的皮帶傳送。</p><p><b>　　3 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計</b></p><p>　　3.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計</p><p><b>　　3.1.1 引言</b></p>

76、;<p>　　多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂在工業(yè)各領(lǐng)域得了廣泛的運(yùn)用，然而，對它的應(yīng)用碰到了工程上的一些問題和困難。第一，是機(jī)械臂靈活性問題，大多機(jī)械臂都是由于太過笨重，其功能不能很好地體現(xiàn)出來。第二，是機(jī)械臂的重量問題。充分考慮到這兩點(diǎn)，既要機(jī)械臂可以靈活運(yùn)動，又可以盡量減少機(jī)械臂重量。所以，采用重量輕的材料，小臂用靈活而重量小的舵機(jī)驅(qū)動，中臂和大臂受力大，采用力矩大的直流電機(jī)驅(qū)動可以有效的解決上述問題。</p><

77、;p>　　3.1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　本文機(jī)械手臂設(shè)計的主要思路是減輕機(jī)械本體配重，減少傳動機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。除采用輕質(zhì)材料外，還將采用舵機(jī)和電機(jī)的組合，利用舵機(jī)的靈活，重量輕，以及電機(jī)力矩大的特點(diǎn)將二者結(jié)合起來，通過齒輪直接將電機(jī)動力傳給小臂。這樣即可以提高手臂的靈活性、空間的柔性運(yùn)動以及穩(wěn)定性問題，又可以使其抓取一定重量的物體。而最后的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)則采用穩(wěn)定性強(qiáng)的皮帶傳送。機(jī)械爪采用連桿機(jī)構(gòu)，用氣

78、缸做為動力來源。此機(jī)械手臂可用于完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、檢測、裝配等工藝操作，是一種典型的操作機(jī)械手臂。</p><p>　　3.1.3 機(jī)械爪的設(shè)計</p><p>　　機(jī)械爪兩個爪分別采用如圖所示的可以鍥合的結(jié)構(gòu)，可以抓住小一點(diǎn)的物體。采用如圖所示連桿機(jī)構(gòu)可以把氣缸的動力傳到爪子上面，中間滑塊連接氣缸和連桿機(jī)構(gòu)。因此，機(jī)械爪采用氣缸，滑塊，連桿，爪子相結(jié)合的抓取結(jié)構(gòu)（如圖3.1所示）。&

79、lt;/p><p>　　圖 3.1 機(jī)械爪的鍥合機(jī)構(gòu)</p><p>　　3.1.4 舵機(jī)臂關(guān)節(jié)的設(shè)計</p><p>　　小臂關(guān)節(jié)通過如圖所示的兩個舵機(jī)串聯(lián)靈活的實(shí)現(xiàn)多方位運(yùn)動，舵機(jī)的重量小，運(yùn)動靈活，是機(jī)械臂前部分最好的選擇，這樣既避免了機(jī)械臂笨重，又實(shí)現(xiàn)了它靈活的功能(如圖3.2所示）。</p><p>　　圖 3.2 小臂關(guān)節(jié)</p

80、><p>　　3.1.5 電機(jī)臂關(guān)節(jié)的設(shè)計</p><p>　　中臂關(guān)節(jié)通過如圖所示的直流電機(jī)帶動齒輪完成小臂整體的轉(zhuǎn)動，電機(jī)力矩大，由于中臂所受的力矩比小臂更大，所需更大的動力，所以采用直流電機(jī)，電機(jī)經(jīng)減速器減速后再根據(jù)所需調(diào)節(jié)減速比，所以齒輪傳動，既可以根據(jù)所需控制減速比，又可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定、效率高傳動比的控制。而電機(jī)座采用如圖所示的可以直接固定到圓形臂上的特殊的形狀。使整個結(jié)構(gòu)很好的結(jié)合在

81、一起（如圖3.3所示）</p><p>　　圖 3.3 中臂關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　3.1.6 皮帶帶動整個機(jī)械臂的設(shè)計</p><p>　　由于兩軸中心距較大，皮帶可以緩和沖擊，吸收振動，過載時打滑防止損壞其他零部件，所以皮帶在最后臂傳動有很大的優(yōu)勢。而皮帶帶動的軸兩端固定可以很大的減少軸所受的力偶，保護(hù)到設(shè)施，因此軸的兩端都固定。（如圖3.4所示）。

82、</p><p>　　圖 3.4 基座的皮帶傳動</p><p>　　3.1.7 軸的設(shè)計及固定</p><p>　　軸是關(guān)節(jié)的主要支撐部件，其設(shè)計的合理與否直接影響手臂運(yùn)動的穩(wěn)定性和精確性。而軸的固定方式可以增加軸的壽命，增加穩(wěn)定性和精確性，將軸的兩端通過軸承固定可以使軸穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動，又保護(hù)到了軸，這樣軸受到的扭矩比固定單方向的方式大大減小。</p>

83、<p>　　3.2 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的設(shè)計參數(shù)</p><p>　　3.2.1 多關(guān)節(jié)機(jī)械臂性能參數(shù)</p><p>　　機(jī)械手：機(jī)械手伸長后總高度H922mm，臂粗：大臂=80mm，小臂=50mm。</p><p>　　結(jié)構(gòu)形式 串聯(lián)多關(guān)節(jié)式</p><p>　　軸數(shù) 4</p>

84、<p>　　驅(qū)動方式 直流伺服電機(jī)</p><p>　　位置記憶 簡易碼盤式絕對位置記憶</p><p>　　控制方式 主從式兩級計算機(jī)控制</p><p>　　抓取重量 5Kg(包括手部重量)</p><p>　　最大運(yùn)動范圍及速度 </p>

85、<p>　　1關(guān)節(jié) 0°—+180° 462°/s</p><p>　　2關(guān)節(jié) 0°—+180° 462°/s</p><p>　　3關(guān)節(jié) 0°—+180° 660°/

86、s</p><p>　　4關(guān)節(jié) 0°—+180° 720°/s</p><p>　　最大臂伸長830mm。</p><p>　　3.2.2 傳動系統(tǒng)的設(shè)計與計算</p><p><b>　　電機(jī)、減速器的選擇</b></p><p&

87、gt;<b>　?。?）電機(jī)</b></p><p>　　RE25 RE35 </p><p>　　電壓：24v 電壓：48v</p><p>　　減速比：84：1

88、 減速比：71：1</p><p>　　減速后轉(zhuǎn)速：110r/min 減速后轉(zhuǎn)速：120r/min</p><p>　　連續(xù)扭矩：20kg/cm 連續(xù)扭矩：78kg/cm</p><p>　　堵轉(zhuǎn)扭矩：200kg/cm

89、 堵轉(zhuǎn)扭矩：850kg/cm</p><p>　?。?）舵機(jī)MG995</p><p><b>　　電壓：3-7.2V</b></p><p>　　工作扭矩:13kg/cm</p><p>　　轉(zhuǎn)速：0.13秒/60度（80r/min）</p><p>　　（3

90、）計算各軸臂的轉(zhuǎn)速</p><p>　　由相嚙合的齒輪的齒數(shù)比（皮帶半徑比）可求得到傳動比 </p><p>　　傳動比i=wi/wj=ni/nj=zj/zi</p><p>　　1關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速n1=80r/min</p><p>　　2關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速n2=80r/min</p><p>　　ih3=nh/n3=z3/

91、zh=22/40=0.55</p><p>　　故3關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速n3=60.5 r/min</p><p>　　ih4=nh/n4=z4/zh=22/40=0.55</p><p>　　故4關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速n4=60.5 r/min</p><p>　　ih5=rh/r5=80/150=0.53</p><p>　　故5關(guān)節(jié)的

92、轉(zhuǎn)速n5= 63.6r/min</p><p>　　在設(shè)計中考慮載荷的不同，采用不同的電動機(jī)。同時考慮到維修定貨方便,采用同種型號的諧波減速器。電機(jī)11主要受慣性力負(fù)載，無偏重力矩。當(dāng)各臂在同一直線上且與大臂相互垂直時,所需驅(qū)動力最大。</p><p><b>　　根據(jù)力矩平衡方程:</b></p><p><b>　　初算</

93、b></p><p><b>　　電機(jī)輸出扭矩：</b></p><p>　　故選小臂電機(jī)為：re25；減速器的減速比為1/84</p><p>　　大臂電機(jī)為：re35；減速器的減速比為1/71</p><p><b>　　齒輪的設(shè)計</b></p><p>　　齒輪

94、的齒數(shù)可根據(jù)各臂的轉(zhuǎn)速比和齒輪模數(shù)所決定的最小齒數(shù)來選擇設(shè)計。選擇模數(shù)均為4的齒輪，故有下表（3.1）：</p><p>　　表3.1 齒輪參數(shù)的設(shè)計</p><p><b>　　小齒輪：</b></p><p><b>　　大齒輪：</b></p><p><b>　　故中心距：<

95、/b></p><p>　　4 基于PRO/E五自由度機(jī)械臂的建模及運(yùn)動學(xué)分析</p><p>　　4.1 五自由度機(jī)械臂建模</p><p>　　五自由度機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)實(shí)體模型的建立采用 Pro/E 軟件。該軟件在三維實(shí)體模型、完全關(guān)聯(lián)性、數(shù)據(jù)管理、操作簡單性、尺寸參數(shù)化、基于特征的參數(shù)化建模等方面具有別的軟件所不具有的優(yōu)勢，方便零件設(shè)計和虛擬裝配，是當(dāng)今的

96、主流 CAD 軟件之一，在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置。首先，根據(jù) 5R 機(jī)械臂的二維圖紙在 Pro/E 中進(jìn)行實(shí)體建模和裝配。分別建立包括基座、連桿、齒輪、電機(jī)等主要零件，按照各零部件的實(shí)際配合關(guān)系，對各零部件進(jìn)行虛擬裝配，建立裝配體。（如圖4.1所示）。</p><p>　　圖 4.1 五自由度機(jī)械臂裝配圖</p><p>　　其次，對裝配體進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查。點(diǎn)擊菜單“分析→模型→全局

97、干涉”，出現(xiàn)全局干涉檢查的界面（如圖4.2所示），眼鏡圖標(biāo)為“計算當(dāng)前分析以供預(yù)覽”。點(diǎn)擊眼鏡圖標(biāo)進(jìn)行全局干涉檢查，如果存在靜態(tài)干涉，軟件會顯示干涉零件的名稱，并計算出干涉的體積。在 5R機(jī)械臂的裝配體中，反復(fù)檢查靜態(tài)干涉并調(diào)整存在干涉零部件的相對位置，確保消除靜態(tài)干涉。 </p><p>　　圖 4.2 靜態(tài)干涉檢查圖</p><p>　　再次，運(yùn)用 Pro/E 的 Mechanism

98、模塊進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真，并對干涉情況進(jìn)行動態(tài)檢查。點(diǎn)擊菜單“應(yīng)用程序→機(jī)構(gòu)”，進(jìn)入機(jī)構(gòu)模式。根據(jù)實(shí)際傳動比確定齒輪與齒輪之間的正確傳動關(guān)系，添加齒輪副。為各驅(qū)動電機(jī)選取適當(dāng)?shù)乃俣戎?，添加電機(jī)驅(qū)動，使機(jī)械臂在 Pro/E 環(huán)境下能產(chǎn)生特定運(yùn)動。添加齒輪副和電機(jī)驅(qū)動后局部視圖如圖。點(diǎn)擊菜單“分析→機(jī)構(gòu)分析→運(yùn)行”，5R機(jī)械臂裝配體產(chǎn)生運(yùn)動，回放并檢查全局干涉，發(fā)現(xiàn)并改正零件設(shè)計和虛擬裝配不合理部分，進(jìn)一步確保實(shí)體模型準(zhǔn)確性（如圖4.3所示）

99、。</p><p>　　圖4.3 動態(tài)干涉檢查圖</p><p><b>　　4.2 連桿坐標(biāo)系</b></p><p>　　4.2.1 建立連桿坐標(biāo)系的D-H方法</p><p>　　為了描述機(jī)械臂的每個連桿與相鄰連桿之間的相對位置關(guān)系，需要在每個連桿上定義一個固連的坐標(biāo)系。</p><p>　

100、　首先，為各連桿和關(guān)節(jié)編號。其方法為：基座為連桿0，從基座起依次向上為連桿1、連桿2、…；關(guān)節(jié)i、連接連桿i-1和i。</p><p>　　然后，建立與連桿固連的坐標(biāo)系OXYZ（如圖4.4所示），具體步驟如下：</p><p>　　圖 4.4 連桿坐標(biāo)系</p><p>　　第1步：確定Z軸?；驹瓌t是：Z軸沿關(guān)節(jié)i的軸向。 </p><

101、;p>　　第2步：確定原點(diǎn)O?；驹瓌t是：O在過Z和1Z+軸的公垂線上。</p><p>　　第3步：確定X軸。基本原則是：X沿過Z和Z+1軸的公垂線方向，從Zi指向Zi+1；如果Zi和Zi+1軸相交，Xi軸垂直于Zi和Zi+1軸所在的平面。</p><p>　　第4步：確定Y軸?；驹瓌t是：使坐標(biāo)系為右手坐標(biāo)系。從而，基于D-H方法的連桿參數(shù)定義如下：</p><

102、;p>　　連桿長度a定義為：沿X軸，從Z移動到Z+1的距離。</p><p>　　連桿轉(zhuǎn)角α定義為：沿X軸，從Z旋轉(zhuǎn)到Zi+1的角度。</p><p>　　關(guān)節(jié)偏距d定義為：沿Z軸，從Xi?1移動到X的距離。</p><p>　　關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角θ定義為：沿Z軸，從Xi?1旋轉(zhuǎn)到X的角度。</p><p>　　上述四個參數(shù)被稱為D-H參數(shù)，又常

103、被稱為機(jī)械臂的運(yùn)動參數(shù)或幾何參數(shù)。采用不同的D-H方法建模，得到的D-H參數(shù)往往不同。</p><p>　　建立連桿坐標(biāo)系后，需要導(dǎo)出相鄰連桿間坐標(biāo)系變換的一般形式。通過矩陣運(yùn)算，可以得到基于D-H方法的齊次變換矩陣為：</p><p><b>　　（4.1）</b></p><p>　　式中，，，。式（4.1）表示坐標(biāo)系{i}相對于坐標(biāo)系{i

104、-1}的齊次變換。齊次變換矩陣左上角的3×3矩陣表示旋轉(zhuǎn)變換，第四列的前三個元素表示了相鄰更高一級坐標(biāo)系原點(diǎn)的坐標(biāo)</p><p>　　4.2.2 建立基于D-H方法的坐標(biāo)系</p><p>　　圖 4.5 機(jī)械臂的坐標(biāo)系分布和運(yùn)動參數(shù)</p><p>　　基于上節(jié)所述的D-H方法，為5R機(jī)械臂建立連桿坐標(biāo)系。</p><p>　　

105、首先定義參考坐標(biāo)系，即坐標(biāo)系{0}，它固定在基座上。當(dāng)?shù)谝粋€關(guān)節(jié)變量值為為0時，坐標(biāo)系{0}與坐標(biāo)系{1}對應(yīng)坐標(biāo)軸重合或平行，因此建立的坐標(biāo)系{0}（如圖4-5所示）。然后，按照D-H方法的四個步驟，分別建立機(jī)械臂的其余5個坐標(biāo)系，如圖4-5（圖中，為連桿i的長度）所示。關(guān)節(jié)2、3和4的軸線相互平行，關(guān)節(jié) 1、2的軸線相互垂直，關(guān)節(jié)4、5的軸線也相互垂直。</p><p>　　根據(jù)D-H參數(shù)的定義，5R機(jī)械臂的

106、D-H參數(shù)如表4.1所示</p><p>　　（表中,,,,,）。其中，為連桿長度，為連桿轉(zhuǎn)角，為關(guān)節(jié)偏距，為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。假設(shè)5R機(jī)械臂的各連桿和關(guān)節(jié)為剛體，那么連桿長度、連桿轉(zhuǎn)角和關(guān)節(jié)偏距這三類參數(shù)為恒定值，而關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角為引起機(jī)械臂末端位置和姿態(tài)改變的變量。</p><p>　　表4.1 5R機(jī)械臂的D-H參數(shù)表</p><p>　　根據(jù)式（4.1）得到，機(jī)械臂各連桿

107、的齊次變換矩陣依次為：</p><p><b>　　（4.2）</b></p><p><b>　?。?.3）</b></p><p><b>　?。?.4）</b></p><p><b>　　（4.5）</b></p><p>

108、<b>　?。?.6）</b></p><p><b>　　4.3 運(yùn)動學(xué)建模</b></p><p>　　機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)指機(jī)械臂末端的位置、姿態(tài)和其關(guān)節(jié)的角度之間的關(guān)系，包括正、逆運(yùn)動學(xué)兩個方面的問題。</p><p>　　4.3.1 正運(yùn)動學(xué)問題</p><p>　　機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)問題，指已知

109、各個關(guān)節(jié)的角度，求機(jī)械臂末端的位置和姿態(tài)，即求出齊次變換矩陣。</p><p>　　將式（4.2）至式（4.6）相乘，得到5R機(jī)械臂末端坐標(biāo)系相對于基坐標(biāo)系的齊次變換矩陣：</p><p><b>　?。?.7）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　式中、，其他情

110、況類似。</p><p>　　式（4. 7）也稱為機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)方程，它說明如何計算機(jī)械臂坐標(biāo)系{5}相對于坐標(biāo)系{0}的位姿。</p><p>　　4.3.2 逆運(yùn)動學(xué)問題</p><p>　　機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)問題，指已知機(jī)械臂的末端位姿，即已知齊次變換矩陣求解各轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的角度。 </p><p>　　機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)問題，可以理解為通過運(yùn)

111、動學(xué)方程：</p><p><b>　　（4.8）</b></p><p><b>　　求解。</b></p><p>　　整理式（4.8），將含有的部分移到方程的左邊</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　將轉(zhuǎn)置，式（4.

112、9）可以寫為：</p><p><b>　　（4.10）</b></p><p>　　令方程（4.10）兩邊的元素（2,4）相等，得到：</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　　可以得出的解：</b></p><p>

113、;<b>　?。?.12）</b></p><p>　　令方程（4.10）兩邊元素（1,3）和元素（3,3）分別相等，得到：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　消去與有關(guān)的項，可以得出的解：</p><p><b>　?。?.14）</b>&

114、lt;/p><p>　　令方程（4.10）兩邊元素（1,4）和元素（3,4）分別相等，得到：</p><p><b>　?。?.15）</b></p><p>　　消去與、有關(guān)的項，可以得出的解：</p><p><b>　　（4.16）</b></p><p>　　令方程（4.

115、10）兩邊的元素（2,1）和元素（2,2）分別相等，得到：</p><p><b>　?。?.17）</b></p><p>　　消去與有關(guān)的項，可以得出的解</p><p><b>　　（4.18）</b></p><p>　　重新整理式（4.8），將公式寫為</p><p&g

116、t;<b>　　4.19）</b></p><p>　　令式（4.19）兩邊的元素（1,4）和元素（2,4）分別相等，得到</p><p><b>　　4.20）</b></p><p><b>　　由此求出</b></p><p><b>　?。?.21）</

117、b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　=-[-(+)]-(--)(+)</p><p>　　=[-(+)](+)-(--)</p><p>　　至此，機(jī)械臂的 5 個關(guān)節(jié)角度都已求得，逆運(yùn)動學(xué)問題分析完畢。在求解運(yùn)動學(xué)方程的過程中遇到多重解的問題，表明機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)位置和姿態(tài)的途徑可能

118、有多種。對于多重解的問題，通常由于關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍的限制要將其中的一些解（甚至全部）舍去。在余下的有效解中，通常選取一個最接近于當(dāng)前機(jī)械臂的解。</p><p>　　4.4 基于MATLAB運(yùn)動學(xué)仿真</p><p>　　本節(jié)將分別采用MATLAB，對5R機(jī)械臂的正、逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行仿真，以驗證在上節(jié)建立的運(yùn)動學(xué)模型。</p><p>　　機(jī)械臂的正運(yùn)動學(xué)、逆運(yùn)動學(xué)問題，可

119、以采用MATLAB軟件的 Robotics Toolbox進(jìn)行計算、仿真。Robotics Toolbox 由 Peter I. C.領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊研發(fā)，提供免費(fèi)下載使用并不斷更新。該機(jī)器人工具箱提供諸多功能函數(shù)模塊，如軌跡生成模塊、運(yùn)動學(xué)模塊、動力學(xué)模塊等，是機(jī)器人仿真非常方便實(shí)用的工具。Robotics Toolbox 的主要特點(diǎn)有：（1）工具箱提供基于常用方法的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)函數(shù)，并且將這些函數(shù)直接封裝于MATALB中；（2）工

120、具箱提供功能操作與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)，如向量轉(zhuǎn)換、齊次變換、單位四元數(shù)等，這些是表示空間位姿和坐標(biāo)變換所必須的；（3）工具箱包含了可移植的C代碼，因此可以生成.MEX文件以實(shí)現(xiàn)加速優(yōu)化算法等；（4）虛擬的模擬實(shí)驗和分析，對機(jī)器人的研發(fā)有很大幫助。</p><p>　　首先，必須在MATLAB環(huán)境下建立5R機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型。 </p><p>　　基于修改的D-H模型（理論分析所采用的模型）和 R