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小型五自由度串联机器人的结构设计及运动学分析

王济阳  
【摘要】:串联机器人作为机电一体化大背景下的优秀产品,近些年其与机器视觉以及计算机等先进领域紧密结合,使得串联机器人的工作能力不断提升,对于各行各业不同的工作业务需求,串联机器人及其衍生机器人都可以完美胜任。本文主要工作为开发一台以教学为主要用途的小型五自由度串联机器人,以帮助本科学生研究学习工业机器人的工作原理和工作过程。本文将主要探讨小型五自由度机器人的结构设计,通过学习各种机器人课程和参考已经发表论文的已有类似研究,确定机器人的整体结构参数,通过使用三维建模软件建立三维模型,运用仿真和分析软件进行相关运动学和动力学的分析和仿真,最后确定最终的方案设计,选购耗材组装初代机。首先参考市场上同类型产品的构型和技术参数,结合课题要求确定机器人的技术参数和机构构型,根据机器人机构构型选择并设计合适的传动系统,结合机器人的技术参数确定机器人的电机和减速器型号,运用三维建模软件建立机器人的整体三维模型。运用D-H参数法建立了小型五自由度串联机器人的连杆坐标系和连杆参数,列出了各个关节的齐次变换矩阵,对机器人进行了正运动学分析,推导出了机器人末端执行器相对于基座标系的位姿矩阵,对机器人进行了逆运动学分析,求出了机器人各个关节角的表达式,列出了机器人的雅克比矩阵,最后运用Matlab软件对机器人的运动空间进行了仿真。通过拉格朗日法对小型五自由度串联机器人进行动力学分析,推导出来机器人前三个关节的动力学方程,并通过Matlab软件求解出了机器人前三个关节的最大力矩,验证电机和减速器选型是否符合要求,运用Workbench软件对机器人模型进行了模态分析,得到了分析云图,得到了机器人结构的振动特性,避免机器人结构设计可能产生的共振损害。对机器人极限位置进行静力学分析,得到机器人在极限位置时的应力和应变云图,对机器人的关键部件进行静力学分析,得到应力和应变云图,通过对机器人的应力和应变云图的分析,确定机器人的强度和刚度是否符合要求。购买材料和零件,依照设计搭建了第一代小型五自由度串联机器人。


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