六自由度机械手运动学、动力学分析及计算机仿真.pdf-资料库

论文分类号 TP242.2 密级限定研究生学号 2002412078 单位代码 1 0 1 8 3 吉林大学硕士学位论文六自由度机械手运动学、动力学分析及计算机仿真 Kinematics and Dynamics Analysis of a 6 DOF Manipulator and Simulation 作者姓名：谷鸣宇专业：机械设计及理论导师姓名及职称：秦荣荣教授学位类别：工学硕士论文起止年月：2004 年 2 月至 2005 年 4 月

作者姓名保密级别谷鸣宇限定学位类别工学硕士论文分类号 TP242.2 2002412078 授予学位单位吉林大学研究生学号专业名称机械设计及理论研究方向机械现代设计理论与方法培养单位（院、所、中心）学习时间机械科学与工程学院 2002 年 9 月至 2005 年 6 月论文中文题目六自由度机械手运动学、动力学分析及计算机仿真论文英文题目 Kinematics and Dynamics Analysis of a 6 DOF Manipulator and Simulation 关键词(3-8 个) 机械手运动学动力学重力向量仿真导师情况姓名秦荣荣职称教授学历学位工学硕士工作单位吉林大学机械科学与工程学院论文提交日期 2005 年 5 月 15 日答辩日期 2005 年 6 月 11 日是否基金资助项目否基金类别及编号如已经出版，请填写以下内容出版地（城市名、省名）出版日期出版者（机构）名称出版者地址（包括邮编）

吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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

提要本文以 IRB2400/10 型六自由度机械手为研究对象，分别采用 D-H 法和拉格朗日-欧拉方法，对该机械手的运动学和动力学进行分析，建立了机械手的运动学模型和动力学模型；并通过实验模拟了一个机械手的喷涂作业过程。然后利用虚拟样机技术，在机械系统动力学软件——ADAMS 上建立机械手的仿真模型，按照已经规划的末端工具运动轨迹，对实验过程进行运动学仿真，并研究了机械手的运动学和动力学指标在运动过程中的变化情况；最后在机械手动力学方程的基础上，针对动力学方程中的重力项，利用 MATLAB/simulink 模块研究了连杆重力对关节驱动力矩的影响。关键词：机械手运动学动力学重力向量仿真 I

ABSTRACT IRB2400/10 manipulator, having 6 degrees of freedom, is utilized specifically to produce in the field of industry. In this paper, the kinematics and dynamics of the manipulator are analyzed by means of Denavit- Hartenberg method and Lagrange-Euler method respectively, and then the kinematic model and dynamic model of the manipulator are established. An experiment, which is to simulate a process of painting by using the manipulator, is finished. Making use of the virtual prototyping technology, the manipulator’s model is founded in software ADAMS that developed for dynamics analysis of mechanical system. According to the planed path of the endmost tool, a kinematics simulation in allusion to the experiment is done. Furthermore, the changes of the cinematic and dynamic indexes of the manipulator in the course of moving are studied. Finally, aiming at the gravity term of the dynamic equation, the effect of links’ gravity to drive moment on joints is studied by MATLAB/simulink. Keywords: manipulator, kinematics, dynamics, gravity vector, simulation II

吉林大学硕士学位论文目录第 1 章绪论 ……………………………………………………………………… （1） 1.1 工业机器人技术 …………………………………………………………… （1） 1.1.1 工业机器人简介 ……………………………………………………… （1） 1.1.2 工业机器人的发展现状 …………………………………………… （1） 1.2 虚拟样机技术 ……………………………………………………………… （2） 1.3 ADAMS 软件概述 ………………………………………………………… （2） 1.4 机器人运动学、动力学研究的概况 ………………………………… （3） 1.5 本文的主要工作内容 …………………………………………………… （3）第 2 章位姿描述和齐次变换 ………………………………………………… （4） 2.1 刚体位姿描述 ……………………………………………………………… （4） 2.1.1 位置的描述 …………………………………………………………… （4） 2.1.2 方位的描述 …………………………………………………………… （4） 2.1.3 位姿的描述 …………………………………………………………… （5） 2.2 坐标变换概述 ……………………………………………………………… （5） 2.2.1 坐标平移变换 ………………………………………………………… （6） 2.2.2 坐标旋转变换 ………………………………………………………… （6） 2.2.3 一般变换 ……………………………………………………………… （6） 2.4 齐次坐标和齐次变换 …………………………………………………… （7） 2.5 齐次变换矩阵的乘法运算 ……………………………………………… （7）本章小结 ………………………………………………………………………… （8）第 3 章机械手运动学 …………………………………………………………… （9） 3.1 机械手连杆参数和连杆坐标系 ………………………………………… （9） 3.1.1 连杆描述 ……………………………………………………………… （9） 3.1.2 连杆连接的描述 ……………………………………………………… （10） 3.1.3 连杆参数和关节变量 ……………………………………………… （10） 3.1.4 连杆坐标系 …………………………………………………………… （10） 3.1.5 连杆坐标系规定的连杆参数 ……………………………………… （11） 3.2 连杆变换和运动学方程 ………………………………………………… （11） I

吉林大学硕士学位论文 3.3 IRB2400/10 型机械手连杆间的坐标变换 …………………………… （11） 3.4 IRB2400/10 型机械手的运动学方程 ………………………………… （12） 3.5 运动学反解分析 ………………………………………………………… （14） 3.5.1 关节角θ1 ……………………………………………………………… （14） 3.5.2 关节角θ2 ……………………………………………………………… （14） 3.5.3 关节角θ3 ……………………………………………………………… （15） 3.5.4 关节角θ4 ……………………………………………………………… （15） 3.5.5 关节角θ5 ……………………………………………………………… （16） 3.5.6 关节角θ6 ……………………………………………………………… （16） 3.6 雅可比矩阵 ………………………………………………………………… （17） 3.7 奇异性 ……………………………………………………………………… （21）本章小结 ………………………………………………………………………… （22）第 4 章喷涂实验 ………………………………………………………………… （23） 4.1 IRB2400/10 型机械手简介 ……………………………………………… （23） 4.2 实验描述 …………………………………………………………………… （23） 4.2.1 初始位置定义 ………………………………………………………… （23） 4.2.2 机械手工作过程 ……………………………………………………… （23） 4.3 坐标系的定义 ……………………………………………………………… （23） 4.3.1 工具坐标系及定义方法 …………………………………………… （23） 4.3.2 工件坐标系及定义方法 …………………………………………… （24） 4.4 示教程序 …………………………………………………………………… （25） 4.5 程序说明 …………………………………………………………………… （26） 4.6 程序导入 …………………………………………………………………… （26） 4.7 程序调试和执行 ………………………………………………………… （27） 4.8 实验结果 …………………………………………………………………… （28）本章小结 ………………………………………………………………………… （28）第 5 章规划仿真轨迹 …………………………………………………………… （29） 5.1 建立工件坐标系 ………………………………………………………… （29） 5.2 各段轨迹方程 ……………………………………………………………… （29） 5.3 轨迹上的点在基坐标系中的位置 …………………………………… （31） 5.4 轨迹点的选取 …………………………………………………………… （31） 5.5 工具姿态的确定 ………………………………………………………… （31） II

吉林大学硕士学位论文 5.6 关节数据的计算 ………………………………………………………… （32）本章小结 ……………………………………………………………………… （32）第 6 章机械手样机模型 ……………………………………………………… （33） 6.1 设置操作环境 …………………………………………………………… （33） 6.2 建立样机参数化模型 …………………………………………………… （33） 6.2.1 建立基础设计变量 ………………………………………………… （33） 6.2.2 基座的建模 ………………………………………………………… （35） 6.2.3 连杆 1 的建模 ……………………………………………………… （37） 6.2.4 连杆 2 的建模 ……………………………………………………… （39） 6.2.5 连杆 3 的建模 ……………………………………………………… （39） 6.2.6 连杆 4 的建模 ……………………………………………………… （41） 6.2.7 连杆 5 的建模 ……………………………………………………… （41） 6.2.8 连杆 6 的建模 ……………………………………………………… （42） 6.2.9 工具的建模 ………………………………………………………… （42） 6.2.10 机械手模型 ………………………………………………………… （43） 6.2.11 传送带的建模 ……………………………………………………… （44） 6.3 向模型中添加约束 ……………………………………………………… （44） 6.3.1 添加旋转铰链 ……………………………………………………… （44） 6.3.2 添加固定铰链 ……………………………………………………… （45） 6.4 为机构添加驱动 ………………………………………………………… （45） 6.4.1 在各个关节上添加驱动 …………………………………………… （46） 6.4.2 在工件和传送带之间添加驱动 ………………………………… （46） 6.5 添加关节角度范围传感器 ……………………………………………… （47） 6.6 模型的细化 ………………………………………………………………… （49）本章小结 ………………………………………………………………………… （49）第 7 章机械手运动学仿真 …………………………………………………… （50） 7.1 仿真假设 …………………………………………………………………… （50） 7.2 模型调试和仿真分析控制参数设置 ………………………………… （50） 7.3 工具末端运动轨迹 ……………………………………………………… （51） 7.4 各个关节转角的测量 …………………………………………………… （51） 7.5 关节角速度的测量 ……………………………………………………… （54） 7.6 工具姿态的测量 ………………………………………………………… （54） III

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