工业机器人运动学建模与仿真去研究.pdf
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1、华中科技大学硕士学位论文摘要随着机器人技术的应用和发展,机器人技术逐渐应用到了工业的各个领域。根据项 目需要,如何加快机器人开发进度,提高开发效率,改善机器人的各项性能,已成为极 需解决的问题。一直以来,在机器人的设计开发及优化设计中,机器人运动学建模与运 动学仿真研究都是非常重要的工作。特别是针对复杂的空间机构,如何快速、准确地建 立系统的运动学模型,并进行有关系统性能的各项仿真工作显得越来越重要。本文利用P ro/E建立了操作机的三维模型,运用机构模块划分方法对该操作机进行 了模块划分,并进行了系统的自由度计算。然后,利用多刚体系统运动学建模理论建立 了夹持器的运动学模型,得到了该夹持器系
2、统的约束方程,并进行了速度与加速度分析。针对一种焊接机器人,采用齐次变换矩阵和D-H运动学分析方法,建立了机器人的 运动学模型,求出了该机器人对应运动学方程的正、反解。利用MatLab编程和蒙特卡 罗方法,分析了焊接机器人的工作空间,通过仿真可方便的判断机器人工作空间中是否 存在空洞或空腔,为得到项目需要的机器人工作范围提供参考。利用灵活性、灵活度和 服务球的概念,分析了机器人工作空间中任一点的灵活度,求出了机器人的灵活工作空 间。最后,利用SolidWorks的Animator插件和COSMOSMotion插件进行了机器人的动 画演示和运动仿真,得到了 6个关节顺序动作的动作过程动画和6关节
3、协调动作时的各 个关节的关节角曲线、关节速度曲线和末端轨迹曲线,对指导后期的机器人轨迹规划及 机器人结构优化设计等工作具有积极的意义。关键词:工业操作机器人焊接机器人运动学建模工作空间仿真华中科技大学硕士学位论文AbstractThe robot has been used in each domain of industry as the development of robot technology.Integrating the project requirement,how to speed up progress,improve efficiency and performance
4、in the design and optimization of robot,having become the problem which extremely must solve,while the research of kinematics modeling and simulation for robot having been the very important works.Especially,aimming to complex spatial mechanism,how fast and accurately to buiid the kinematics model,c
5、arry on simulation about performance appear more and more importantly.The virtual robot model is built by P ro/E,module division is carried on the model with the method of the mechanism module division,and degree of freedom for the system is calculated.Then,kinematics modeling of the grippers is bui
6、lt with the multi-rigid-body kinematics,the constraint equation of the system is obtained,the analysis of speed and acceleration are carried on.In view of a welding robot,using matrix transformations and D-H method,the kinematics model is built,the forward and the inverse kinematics has been solved.
7、Using MatLab programming and Monte carlo method,analyzing workspace of the welding robot.Through the simulation to judge whether the workspace has the cavities or not,which can provide the reference to obtain the appropriate operating region of robot.The derterity of every point in the worlspace is
8、simulated and obtain the dexterity workspace of robot by MatLab with the concept of dexterity degree and service sphere.Finally,using Animator and COSMOSMotion of SolidWorks,the animation demonstrate on and kinematics simulation of the robot have been carried on,and obtain the process animation of r
9、obot when 6 joints moves orderly,the joint isogonal trajectory,the joint velocity curve and the terminal path curve when all joints move synchronizely.To instructs work and so on later period robot path plan and robot structure optimization design has the positive significance.Keywords:Industrial ma
10、nipulator,Welding robot,Kinematics modeling,Workspace,Simulation独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名:日期:年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许
11、论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口,在 年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。(请在以上方框内打“铲)学位论文作者签名:指导教师签名:日期:年 月 日日期:年 月 日华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1 课题概述1.1.1 课题来源本课题得到以下项目的资助:国家重点基础研究发展计划(973)项目“巨型重载操作装备的基础科学问题”,批 准号:2006CB705400,课题4 大尺度重型构件稳定夹持原理与夹持系统驱动策略”,批准号:2006CB705404o1.1.2
12、课题背景机器人技术是20世纪人类最伟大的发明之一,是一种涉及到多种相关技术及学科,如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学 等科学技术的综合性技术。由于机器人工作具有速度快,效率高,质量稳定,疲劳极 限大,能够从事人类不能或难以胜任的工作,且能适应产品多样化等特点,因此被广泛 地应用于工业、军事、医疗、娱乐、家用、地下、水下、空间等社会各个应用领域。工业机器人是机器人家族中的重要一员,也是目前在技术上发展最成熟、应用最多 的一类机器人。国际标准化组织将工业机器人定义为:”一种具有自动控制操作和移动 功能,能够完成各种作业的可编程操作机”。在我国国家标准中,工
13、业机器人被定义为:“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具,用以完成各种作业可见,工业机器人是一种机电系统,它对稳定、提高产品质量,提高生产效率,改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作 用.操作机(器)是工业机器人的执行机构,该机构与电子器件密切相关,它的灵活 程度、运动精度和动态性能,直接影响着机器人系统的工作质量。随着机器人的应用 领域出现前所未有的多元化趋势,在应用需求推动下,工业机器人技术也朝向大力研发 机器人操作机、并联机器人、控制系统、传感系统、网格通讯功能、可靠性等多个方面 臼蓬勃发展。21世纪是数字化时代,制造业将会采
14、用更先进的制造技术以及全部的数字化装备,而工业机器人则是数字化装备的典型代表,它会在未来的制造业中起着愈来愈重要 的作用久同时人类也将进一步加快海洋开发和空间探索的步伐,对微系统的研究也会 华中科技大学硕士学位论文更深入,这就为先进机器人技术的发展提供了一个更为广阔的空间。因此,无论是工业 机器人技术还是先进机器人技术,在未来都有着广阔的发展前景。并且,随着机器人技 术的不断进步,两者将互相融合,都向着智能化方向发展。从某方面而言,它是衡量一 个国家科学发展水平的重要尺度,是一个国家综合国力的重要体现。因此,世界各国竞 相发展本国的机器人行业。据了解,目前日本继前两个机器人计划“极限作业机器
15、人”计划和“微机械技术”开发计划之后,正在实施第三个“人型机器人”计划;美国仅花在 无人机上的费用就已达25亿美元。随着世界机器人技术的发展和市场的形成,我国在机器人科学研究、技术开发和应 用工程等方面取得了可喜的进步。针对工业机器人的研究开始于70年代,但由于基础 条件薄弱、关键技术与部件不配套、市场应用不足等种种原因,未能形成真正的产品。80年代中期,在国家科技攻关项目的支持下,使工业机器人研究开发进入了 一个新阶段,形成了一次发展高潮。在以焊接、装配、喷漆、搬运等为主的工业机器人,以交流伺服 驱动器、谐波减速器、薄壁轴承为代表的元部件,以及机器人本体设计制造技术、控制 技术、系统集成技术
16、和应用技术等方面都取得显著成果。从80年代末到90年代,国家 863计划把机器人列为自动化领域的重要研究课题,系统地开展了机器人基础科学、关 键技术与机器人元部件、目标产品、先进机器人系统集成技术的研究及机器人在自动化 工程上的应用。相继开发了汽车车身点焊,后桥壳焊接,摩托车车架焊接,机器人化立 体仓库等一批机器人自动化应用工程,这是我国机器人事业从研制到应用迈出的重要一 步。国家重点基础研究发展计划(973)项目“巨型重载操作装备的基础科学问题”是 国家又一个涉及工业机器人的重大项目,通过此项目研究,将使我国在大型工业操作机 器人中的基础科学问题上有一个全面、深入的认识,对发展巨型重载多自由
17、度操作装备 的设计与制造技术有积极的促进作用,也是提升我国大型装备和构件制造能力的关键 56 O针对工业机器人运动学建模与仿真的研究是进行机器人开发与优化设计工作的基 础。机器人运动学分析是从机器机械结构出发,运用机构学理论,研究其机构传动原理、自由度、模块连接方式及实现形式。并以此为基础,运用计算机图形学技术、CAD技 术、机器人学理论在计算机中建立机器人的实体模型,通过实体造型和动画仿真很好地 说明工业机器人的工作原理与工作过程,给人们对工业机器人有一个直观的认识。此外,从整个工业领域来看,对工业机器人需求越来越大,性能指标越来越高,运动学仿真和 离线编程技术显得越来越重要。运动学建模与仿
18、真工作的重要性主要体现在以下几个方 面:(1)将运动学分析应用于仿真系统,可以提前验证其算法的正确性,通过机器人 2华中科技大学硕士学位论文的动画演示来观察机器人的运动情况(如各关节或连杆位移、速度、加速度等特性),检查动作过程有无运动干涉,结合动力学分析以进行轨迹规划。(2)在机器人实体模型实现前,设计者可根据虚拟样机技术建立机器人CAD模型,在此基础上建立参数化运动学模型,并根据其连杆参数计算出机器人末端的位姿。通过 运动学仿真,设计者可以观察机器人关节轴的运动范围,将其显示出来即为机器人的工 作空间。以便设计者结合机器人具体任务来确定各连杆参数的约束条件,并能实时调整 结构参数,以实现最
19、优设计。在此基础上,可进行机器人灵活度分析,并得到它的灵活 工作空间,为机器人在实际应用中选择最佳的工作位置或最佳的工作路径。(3)运动学建模与仿真对于将来建立机器人各零部件间参数化运动学误差模型,准确描述各零部件间因为几何及装配误差累积所造成的末端执行器的运动精度具有重 大意义。(4)搭建机器人工作过程仿真平台。通过改变机器人及其它设备的位置和方位,在较短时间内就可以进行一种配置的试验,模拟仿真整个机器人的工作过程,以指导机 器人的实际工作。本课题以大型工业操作机器人(简称操作机)及典型6自由度关节型焊接机器人为 例,重点讨论机器人运动学建模及其运动学仿真技术,着重分析机器人的工作空间、灵
20、活工作空间及灵活度、动画演示、运动仿真等,为进一步进行工业机器人运动规划及结 构、性能优化设计等打下基础。1.2 机械系统运动学建模理论研究现状这里的运动学,指的是运动几何学,所以工业机器人的运动学建模是指对其进行运 动几何建模,所涉及的是机器人各构件间的空间位姿关系、机构各模块的连接关系以及 各构件间运动参数间的关系及其它们的传递过程。运动学建模技术网到今天已发展了近40年,针对机械系统运动学几何模型,国内外 的许多学者开展了多方面的研究,提出了不少运动学建模方法。本文主要研究机器人 的运动学和动力学数学模型的建立,所以在此仅从运动学和动力学建模角度对机械系统 建模方法加以介绍。对运动学建模
21、技术,先后出现了误差矩阵法、二次关系模型法、机 构学建模法、刚体运动学方法电以及近年来发展起来的多体系统建模方法等建模口2 方法。误差矩阵法始于1977年,主要是用矢量表达法来建立空间误差模型,1986年出 现的二次关系模型法是一种基于刚体运动学和小角度误差假设的几何误差的解析二次 型模型。由于这两种方法出现较早,建模复杂,解算繁琐耗时,而随后发展起来的几种 3华中科技大学硕士学位论文建模方法则相对简单易解,所以这两种方法已日渐淘汰,故在此不介绍这两种方法,下 面简要介绍机构学建模法、刚体运动学方法以及多体系统建模方法网。1990年出现了机构学建模方法,它是从机构学角度出发对系统进行描述并对系
22、统研 究特征进行数学建模的方法。在机构学中,机构是组成系统的基本单位,子系统之间的 联系转化为机构与机构之间通过运动副的连接,利用拆副、拆杆、甚至拆运动链的方法 将复杂杆组转化为简单杆组,以简化机构的运动分析和力分析;该方法利用图论原理把 机构转化为矩阵符号标志,利用计算机识别方法,进行机构分类与选型;利用机构结构 的键图方法,确定机构自由度和冗余度。研究满足拓扑结构要求机构的结构类型综合,以单开链为基本单元的结构类型综合法、以回路为单元的结构类型综合法等,利用拓扑 图及其矩阵表示,这两种结构类型综合法皆可由计算机自动生成。从而系统研究特征的 建模问题就变成机构特征位置或机构变量之间的数学关系
23、的建立问题口引。机构学建模方法中可利用的数学建模方法很多,其中又以近年来发展起来的齐次坐 标矩阵法最为简单且应用极其广泛“支在机器人学或运动学领域,常用齐次变换矩阵表 示物体之间的相对位置和姿态。根据该矩阵变换可以求得一个坐标系中点或矢量在另 一坐标系中的表示,如图1.1所示。对于整个坐标系的位姿变换,齐次变换矩阵是非常 重要的,其数学表达式为:在式1.1中,p是一个3X1位移矢量,表示新坐标系相对于原坐标系的位置关系;R是3X3旋转矩阵,表示新坐标系相对于原坐标系的姿态。其中,在实际应用中,相隔较远距离的两个物体之间的位姿变换会经过一系列的中间物 体,两个物体的最终位姿变换需要齐次变换矩阵的
24、复合变换表示,如图1.2所示。图1.1齐次变换矩阵的表示 图L2齐次变换矩阵的复合变换图1.2中物体2相对于物体0的位姿变换用下列复合变换公式求得:4华中科技大学硕士学位论文%PoiQt 142=J2(1.3)1=飞_or1(1.4)Tn=orPn1(1.5)R12%-=&1&2 0P 12+P 0I(1.6)1992年出现的刚体运动学建模皿的基本对象主要是刚体系统,故这种建模方法有 着一定的局限性。刚体系统是由刚体所组成的连续系统,所谓刚体就是指在力的作用下 不变形的物体,特点表现为其内部任意两点的距离都保持不变。刚体是一个理想化的系 统模型,实际物体在力的作用下均会产生程度不同的变形。但是
25、许多物体的变形十分微 小,对研究物体的平衡问题不起主要作用,可以略去不计,这样就可使问题大为简化。刚体运动学建模方法就是利用已成熟的刚体运动学知识,主要是达朗贝尔-拉格朗日原理 对刚体系统进行数学建模。刚体运动学建模法建立的模型公式简单整齐,概念清晰,但 相对来讲模型中冗余信息较多,计算比较复杂,故其利用相对较少网。目前,在机械系统运动学建模中,一些研究机构根据多体系统运动学理论,提出了 一种广泛适用的、易于实现运动学仿真模型计算机自动编程的多体系统建模方法,这种 方法使得运动学建模过程程式化,可以有效的排除人为因素对模型推导过程的影响。多 体系统是对一般复杂机械系统的完整抽象和有效描述,它是
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- 工业 机器人 运动学 建模 仿真 研究
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