1、UDC學 位 論 文四自由度平面關節型機器人結構分析與優化作者姓名： 張進偉指導教師： 柳洪義 教授東北大學機械電子工程研究所學科類別：工 學 申請學位級別： 碩 士學科專業名稱： 機械電子工程論文提交日期： 2008年 月學位授予日期： 2008年 月評論文答辯日期：2008年7月 答辯委員會主席： 閱人：東 北 大 學2008年6月A Thesis for the Degree of Master in Mechanical and Electronic EngineeringAnalysis and Optimization of the Structure of4-DOF SCARA

2、RobotBy Zhang JinweiSupervisor: Professor Liu HongyiNortheastern UniversityJune 2008獨創性聲明本人聲明，所呈交的學位論文是在導師的指導下完成的。論文中取得的研究成果除加以標注和致謝的地方外，不包含其他人己經發表或撰寫過的研究成果，也不包括本人為獲得其他學位而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均己在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：日 期：學位論文版權使用授權書本學位論文作者和指導教師完全了解東北大學有關保留、使用學位論文的規定：即學校有權保留并向國家有關部門或機構送交論文的復

3、印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人同意東北大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索、交流。作者和導師同意網上交流的時間為作者獲得學位后：半年 一年 一年半 兩年學位論文作者簽名： 導師簽名：簽字日期： 簽字日期：I東北大學碩士學位論文 摘 要四自由度平面關節型機器人結構分析與優化摘 要工業機器人一般指用于機械制造業中代替人完成具有大批量、高質量要求的工作，如汽車制造、摩托車制造、艦船制造、某些家電產品、化工等行業自動化生產線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統的搬運、包裝、碼垛等作業的機器人。它是集運動學與動力學理論、機械設計與制造技術、計算機硬件與軟件技術、控制

4、理論、傳感器技術、人工智能理論等科學技術理論的綜合應用。機器人技術的研究與開發標志著一個國家科學技術的水平，而機器人在各種工業領域的普及應用，則顯示了這個國家的經濟和科技發展的綜合實力。機器人技術是多學科的綜合運用，在眾多類型機器人中，平面關節型機器人在平面內的運動具有較大的柔性，沿升降軸的運動具有很強的剛性，非常適合應用于搬運、焊接和裝配等重復性任務，因此在工業生產中得到廣泛應用。本文以四自由度平面關節型機器人結構為基礎，重點研究了四自由度平面關節型機器人結構分析與優化的問題。首先，以Pro/E軟件為基礎，對平面關節型機器人總體結構進行設計。在結構設計過程中詳細討論多種設計方法、設計原理、以

5、及設計過程中的要求與原則，通過對不同設計參數及結構進行對比分析得出最優的設計結構與尺寸。在同樣的工作空間內完成相同動作時，針對其它四自由度平面關節型機器人結構進行分析對比，分析了不同結構參數對機器人動態運行的影響，為機器人設計者提供參考。這種在具體設計之前預先給出不同設計結構之間優缺點的方法能夠使設計者根據任務的要求選擇機器人的結構和參數，減少設計過程中不必要的重復工作。其次，對機器人進行運動學仿真分析以及結構優化。經過虛擬仿真可以檢查機器人設計的合理性，以及觀察機器人結構在運動過程中的相互干涉性，并在ANSYS軟件中建立各臂模型，進行位移、應力、模態分析，從中選擇最優的結構，進而確定本體設計

6、和驗證設計方案的合理性。最后，通過對伺服系統的各種形式、電機性能進行分析比較，根據系統對快速響應、平穩工作的要求，對平面關節型機器人各個關節傳動方式、交流伺服電機、減速器進行計算選擇，從而機器人系統設計達到最優。關鍵詞：平面關節型機器人；四自由度；運動仿真；Pro/E；ANSYSII東北大學碩士學位論文 Abstract Analysis and Optimization of the structure of4-DOF SCARA RobotAbstractThe industry robot generally refers the robot which is used in the m

7、echanical manufacturing industry, replacing the human to complete the mass and high request work, such as the automobile manufacture, the motorcycle manufacture, the ships manufacture, and the work of spot welding, the arc welding, the painting, cut, the electronic assembly and the transporting, the

8、 packing, piles buttress in the automatic production line of certain electrical appliances manufacture and chemical industry and so on. It is the integrated application of technological theory, such as kinematics and dynamics theory, mechanical design and manufacture technique, the hardware and soft

9、ware of computer technique, control theory, sensor technology, the theory of artificial intelligence and so on. The application and exploitation of robot technique indicate the science and technology level of a country. Whats more, its usage and prevalence in some industry fields revealed the synthe

10、tical strength of a countrys development in economy and technology.Robot technique is the synthetical application of many subjects. In numerous types of robots, SCARA Robot has biggish flexibility in plane movement and strong rigidity in lift axes movement, which is very propitious to be applied to

11、repeating task such as conveying, jointing and assembly and so on, so it is applied widely in industry production. This thesis based on the structure of the 4-DOF SCARA Robot and stressly investigated the problem of the analysis and optimization of the structure of 4-DOF SCARA Robot.Firstly, based o

12、n the software Pro/E, designing the overall structure of the SCARA Robot. During the process of structure design, many methods, elements, requirements and principles are discussed in detail. The optimized design structure and dimension are got by comparison and analysis of the different design param

13、eter and structure; dexterity analysis results of 4-DOF robots with different structures are given, and the results are compared with other structures of SCARA Robot within the same workspace. The influence of structural parameters on robot dexterity is analyzed, which can serve as useful reference

14、to robot designers. This kind of method can give the dexterity analysis result before detailed design,- III -東北大學碩士學位論文 Abstract and can enable designers to select robot structure and parameters according to task requirements.Secondly, the kinematics emulation of the robot is analyzed and the struct

15、ure is optimized. Afterthat each arm model is founded, besides the displacement, stress, mode are analyzed by ANSYS software, and the optimized structure is selected, sequentially the design is confirmed and the rationality of project is validated.Finally, according to the requirements of system for

16、 the rapid response, smooth work, after the comparison of various forms of servo system and the electrical theory, have chose various joint drive ways on the SCARA Robot, AC servo motor and reducer to realize motion control of robot, so that robot system design is optimal at last.Key words: SCARA Ro

17、bot; 4-DOF; Motion Simulation; Pro/E; ANSYS- IV -東北大學碩士學位論文 目 錄目 錄獨創性聲明.I 摘 要.II Abstract.III 目 錄.V第一章 緒 論.11.1 課題研究的背景與意義.11.2 國內外機器人發展現狀.21.3 工業機器人特點及分類.31.3.1 工業機器人特點.31.3.2 工業機器人分類.41.4工業機器人的構成及應用.61.4.1 工業機器人構成.61.4.2 工業機器人技術參數.71.4.3 工業機器人的應用.81.5 本論文研究的基本內容.81.5.1 機器人本體結構設計.91.5.2 機器人系統動態優化設計

18、.91.5.3 機器人結構CAE分析.91.5.4 伺服系統選擇.9第二章 機器人本體設計.102.1 機械系統的設計.102.1.1 CAD軟件Pro/E概述.102.1.2 機器人結構設計的主要坐標式.132.1.3 機器人本體設計原則.142.2 機器人結構設計與優化.162.2.1 機身的設計與優化.162.2.2 臂1的設計與優化.172.2.3 臂2的設計與優化.202.2.4 臂3的設計與優化.22- V -東北大學碩士學位論文 目 錄2.2.5 機械手設計與優化.25第三章 機器人虛擬仿真與運動學分析.263.1機器人組件裝配.263.1.1 機身與臂1虛擬裝配.263.1.2

19、 臂1與臂2虛擬裝配.273.1.3 臂2與臂3虛擬裝配.273.1.4 機械手虛擬裝配.283.1.5 機器人模態的整體總裝.283.2 虛擬仿真.293.3 機器人的運動學分析.333.3.1 機器人齊次坐標系的建立.333.3.2 機器人正運動學分析.353.3.3 機器人逆運動學分析.36第四章 機器人結構CAE分析.384.1 機器人有限元分析原理.384.1.1 形狀函數.384.1.2 單元剛度矩陣.394.1.3 單元節點位移.414.1.4 系統固有頻率.414.2 機器人雙臂的ANSYS有限元分析.424.2.1 ANSYS有限元分析的特點.424.2.2 機器人臂1 AN

20、SYS有限元分析.424.2.3 機器人臂3 ANSYS有限元分析.45第五章 伺服系統選擇設計.495.1 步進電機和交流伺服電機性能比較.495.2 機器人驅動方式.505.3各關節傳動方式與驅動原件選擇.515.3.1 各關節驅動方式選擇.515.3.2 各關節驅動原件的選擇.525.4 交流伺服電機控制原理.55第六章 結 論.56- VI -東北大學碩士學位論文 目 錄 參考文獻.57 致 謝.60- VII -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論第一章 緒 論1.1 課題研究的背景與意義隨著現代科技的迅猛發展，機器人技術已廣泛應用于人類社會的各個領域。在制造業中誕生的工業機器人是繼

21、動力機、計算機之后而出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具。機器人的應用是一個國家工業自動化水平的重要標志。有關專家研究表明，國外發達國家已廣泛應用機器人自動化生產線，并已形成一個巨大的產業，年市場容量約為1000億美元。我國有關部門及企業應該做好充分準備， 借鑒國外推動產業發展的先進經驗。我國機器人產業要快速發展，就不能只靠幾個愛好者的激情和科研單位的單方努力，機器人就不能只作為展覽會上的表演者。研制單位必須和需求緊密結合，讓機器人走進工廠和家庭，實現真正的產業化。把發展中國機器人產業納入政府重要產業政策中，引導和扶持企業進行產業和產品結構調整，加速機器人產業化進程。近年來我國的機器人

22、自動化技術也取得了長足的發展，但是與世界發達國家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國外產品，機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距。我國目前從事機器人研發和應用工程的單位相對較少，工業機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量，長期大量依靠從國外引進。在應用規模上，我國已安裝的國產工業機器人，約占全球已安裝臺數的0.4。產生以上差距，有關專家認為主要是我國沒有形成機器人產業，當前我國的機器人生產都是根據用戶的要求，“一個客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本較高、而且質量、可靠性不穩定。本課題研究的四自由度平面關節型機器人是工業領域中應用

23、較為廣泛的機器人之一。據統計資料介紹，目前，國外已有的各種專用和通用裝配機器人中，平面關節型裝配機器人是應用數量最多且較為廣泛的一種裝配機器人。1991年世界上4萬余臺在生產上應用的裝配機器人中，平面關節型機器人約占3/4左右。其主要應用領域為電子電器業、家用電器業、精密機械業。從事印刷電路板上電子元器件的插入作業；家用電器及儀器儀表的組裝作業；小型電器開關、接觸器等電器產品的組裝作業。可以說，平面關節型機器人在輕型、較簡單并且要求機器人價格較低的裝配作業中大顯了身手。而且平面關節型最顯著的特點是他們在XY平面上的運動具有較大的柔性，而沿Z軸方向具有很強的剛性，這種選擇性的柔性，在裝配作業中是

24、很重要的特性，非常適合應用于搬運、焊接和裝配等重復性任務，因此在工業生產中得到廣泛應用。鑒于平面關節型機器人在- 1 -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論工業領域應用中的獨特優勢，研究平面關節型機器人也就具有相當的代表性。而在眾多的機器人研究中，大多主要側重于研究機器人的控制系統和運動學分析，在機器人結構設計與優化方面反而沒有引起足夠多的重視，正因為如此，在本課題中專門針對四自由度平面關節型機器的結構做了設計和優化，以及對相關機器人結構的討論分析，期待對我國的機器人研究有更大的幫助。1.2 國內外機器人發展現狀機器人是最典型的機電一體化數字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業

25、的支撐技術和信息化社會的新興產業，將對未來生產和社會發展起越來越重要的作用。目前在國外機器人廣泛應用于各行各業。主要進行焊接、裝配、搬運、加工、噴涂、碼垛等復雜作業。如下圖1.1機器人涂膠和圖1.2高壓水切割機器人等。目前，全球現役工業機器人83萬臺。過去10年，機器人的價格降低約80%，現在繼續下降，而歐美勞動力成本上漲了40%。現役機器人的平均壽命在10年以上，可能高達15年，它們還易于重新使用。由于機器人及自動化成套裝備對提高制造業自動化水平，提高產品質量和生產效率、增強企業市場競爭力、改善勞動條件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增長速度較快。據國際機器人聯合會

26、及聯合國歐洲經濟委員會（UCENE）統計，2001年機器人安裝量為7.8萬臺套，年增長率9%。機器人的應用主要有兩種方式，一種是機器人工作單元，另一種是帶機器人的生產線，并且后者在國外已經成為機器人應用的主要方式。以機器人為核心的自動化生產線適應了現代制造業多品種、少批量的柔性生產發展方向，具有廣闊的市場發展前景和強勁生命力，已開發出多種面向汽車、電氣機械等行業的自動化成套裝備和生產線產品。在發達國家，機器人自動化生產線已形成一個巨大的產業，年市場容量約為1000億美元。圖1.1 機器人涂膠 圖1.2 高壓水切割Fig 1.1 Robot gelatinize Fig 1.2 High pre

27、ssure water incision據國際機器人協會統計，2003年工業機器人發貨量呈現強勁增長勢頭。與2002年相比，2003年全球范圍內機器人的訂貨量增長約10%以上。預計，工業機器人的世界- 2 -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論 市場將從2002年的68600臺套增長到2010年的151100多臺套，年平均增長7.4%。縱觀目前經濟發展現狀，我國機器人市場增長異常迅猛，從銷售量上更是充分說明了這個不爭的事實。在中國市場上占有35市場份額的ABB公司2004年在中國賣出了600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了2000臺機器人。專家預測，我國機器人2008年

28、擁有量將增至7600臺，到2010年擁有量將達到17300臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺（套）。據悉，汽車制造、工程機械及電機、電子等行業的企業是中國今后對機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主1,2。但是，我國現有主要生產工業機器人廠家其生產規模較小，這與當前市場需求有較大差距。生產規模達到大批量生產能力，才能提高機器人的穩定性、可靠性及降低成本，才能占領國內市場。目前主要生產第一代示教再現型機器人。隨著建筑施工、石化、食品、核工業、水下、高空及微加工行業的需求，將推出一批新機型，如大負載、高精度、蛇形的、無人飛行器以及家用、病人護理、盲

29、人引導犬等。目前正在逐步建立上海、沈陽、北京機器人及其自動化生產線產業基地，開發出一批有市場前景的，具有自主知識產權的機器人及其自動化生產線產品。進一步加強與外企合作，引入先進技術及資金使我國成為國際生產機器人基地，占領國內市場，走向世界3,4。1.3 工業機器人特點及分類1.3.1 工業機器人特點機器人（Robot）是1920年由捷克作家卡雷爾查培克在劇本中塑造的一個具有人的外表、特征和功能，愿意為人服務的機器奴仆“Robota”一詞衍生出來的。我們可以這樣說：機器人是一個在三維空間中具有較多自由度的，并能實現諸多擬人動作和功能的機器；而工業機器人（Industrial Robot）則是在工

30、業生產上應用的機器人5,6。工業機器人有以下幾個最顯著的特點：（1）可編程工業機器人可隨其工作環境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發揮很好的功用，是柔性制造系統的一個重要組成部分。（2）擬人化工業機器人在機械結構上有類似人的行走、腰轉、大臂、小臂、手腕、手爪等部分，在控制上有計算機。此外，智能化工業機器人還有許多“生物傳感器”，傳感器的使用極大提高了工業機器人對環境的自適應能力。（3）通用性- 3 -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論一般工業機器人在執行不同的作業任務時具有較好的通用性，如更換工業機器人的末端執行器便可執行不同的作業任務。1.3.2 工

31、業機器人分類根據不同的標準，機器人也相應有不同的種類。工業機器人的機械結構部分可看作是由一些連桿通過關節組裝起來的。通常有兩種關節，即轉動關節和移動關節。連桿和關節按不同的坐標形式組裝，機器人可分為五種：直角坐標型機器人、圓柱坐標型機器人、球坐標型機器人、關節型機器人和并聯機器人7,8。（1）直角坐標型機器人直角坐標型機器人是通過3個互相垂直的軸線位移來改變手部的空間位置，運動是獨立的，其前三個關節為移動關節（PPP）。該類操作機易于實現高定位精度，空間軌跡易于求解，但操作靈活性差，運動的速度較低，當具有相同的工作空間時，機體所占空間體積大。（2）圓柱坐標型機器人圓柱坐標型機器人是通過一個轉動

32、和兩個移動（RPP）來實現手部的空間位置變化。該種操作機結構簡單，便于幾何計算，其工作范圍較大，運動速度較高，但隨著水平臂沿水平方向伸長，其線位移分辨精度越來越低。通常用于搬運機器人。（3）球坐標機器人球坐標機器人用兩個轉動和一個移動（RRP）來改變手部的空間位置。一般是要關節可繞Z軸轉動，大臂可在Z-X平面內俯仰（轉動）。這種機器人的特點是結構緊湊，所占空間體積小，其操作比圓柱坐標型更為靈活，并能擴大機器人的工作空間，但旋轉關節反映在末端執行器上的線位移分辨率是一個變量。（4）關節型機器人關節型工業機器人是模擬人的上肢而構成的。它的前三個轉動關節（RRR），腰關節繞Z軸轉動，臂的兩個關節繞平

33、行于Y軸的兩軸線轉動。它利用順序的三個圓弧運動來改變手的空間位置，其特點是所占體積小，機構緊湊，操作靈活性最好，運動速度較高，操作范圍大，還能繞過其基座周圍的一些障礙物，但精度受手臂位姿的影響，實現高精度運動較困難。這是機器人使用最多的一種操作機。PUMA、CINCINNATI T3、MTOMAN、ABB、KUKA等名牌機器人都是采用這種型式的操作機。（5）并聯機器人該機器人采用六自由度的Stewart平臺機構作為機器人機構。根據這種機構的特點，人們把它稱為并聯機構。并聯機構從結構上是用6根支桿將上下兩平臺聯接，這樣上下- 4 -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論 平臺就可進行6個獨立運動，

34、即有6個自由度，在三維空間可以沿任意方向的移動和繞任何方向的軸線轉動。由于機械手、操作機、機器人有許多共同點，它們在技術上是相通的，有時很難嚴格區分。同時，機器人技術目前正處于迅速發展階段，關于機器人的一些概念、定義，仍在不斷充實、演變之中，存在著不同的認識和見解。從文獻中可以找到各種各樣關于“機器人”的定義。1984年，國際標準化組織（ISO）采納了美國機器人協會（RIA）給“機器人”下的定義，即“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機。”或者“是一種帶有執行不同的工作任務的手臂，且可改編程序動作來完成各種作業的特殊機械裝置。”關于機器人如何分類，國際上沒有制定統

35、一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。我國的機器人專家從應用環境出發，將機器人分為兩大類，即工業機器人和特種機器人。所謂工業機器人就是面向工業領域的多關節機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業機器人之外的、用于非制造業并服務于人類的各種先進機器人，包括：服務機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農業機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學者，從應用環境出發將機器人也分為兩類：制造環境下的工業機器人和非制造環境下的

36、服務機器人。隨著工業化的實現，信息化的到來，我們開始進入知識經濟的新時代。創新是這個時代的源動力。文化的創新、觀念的創新、科技的創新、體制的創新改變著我們的今天，并將改造我們的明天。新舊文化、新舊思想的撞擊、競爭，不同學科、不同技術的交叉、滲透，必將迸發出新的精神火花，產生新的發現、發明和物質力量。機器人技術就是在這樣的規律和環境中誕生和發展的9,10。科技創新帶給社會與人類的利益遠遠超過它的危險。機器人的發展史已經證明了這一點。機器人的應用領域不斷擴大，從工業走向農業、服務業；從產業走進醫院、家庭；從陸地潛入水下、飛往空間；機器人展示出它們的能力與魅力，同時也表示了它們與人的友好與合作。- 5 -東北大學碩士學位論文 第1章 緒 論1.4 工業機器人的構成及應用1.4.1 工業機器人構成一個機器人系統，一般由操作機、控制裝置和為使機器人進行作業而要求的外部設備組成。（1）操作機（又稱執行系統）操作機是機器人完成作業的實體，它具有和人手臂相似的動作功能，是可在空間抓放物體或是進行其他操作的機械裝置。通常由以下部分構成：末端執行器又稱手部，