運動學分析及**
學科：機電一體化
姓名： 袁傑
指導老師：鹿毅
答辯日期： 2012.6
摘要近二十年來，機械人技術發展非常迅速，各種用途的機械人在各個領域廣泛獲
得應用。我國在機械人的研究和應用方面與工業化國家相比還有一定的差距，因此
研究和設計各種用途的機械人特別是工業機械人、推廣機械人的應用是有現實意義
的。典型的工業機械人例如焊接機械人、噴漆機械人、裝配機械人等大多是固定在
生產線或加工裝置旁邊作業的，本**作者在參考大量文獻資料的基礎上，結合項
目的要求，設計了一種小型的、固定在a** 上以實現移動的六自由度串聯機械人。
首先，作者針對機械人的設計要求提出了多個方案，對其進行分析比較，選擇
其中最優的方案進行了結構設計；同時進行了運動學分析，用d-h 方法建立了座標變換矩陣，推算了運動方程的正、逆解；用向量積法推導了速度雅可比矩陣，並計算了包括腕點在內的一些點的位移和速度；然後借助座標變換矩陣進行工作空間分析，作出了實際工作空間的軸剖面。這些工作為移動式機械人的結構設計、動力學分析和運動控制提供了依據。最後用adams 軟體進行了機械人手臂的運動學仿
真，並對其結果進行了分析，對在機械設計中使用虛擬樣機技術做了嘗試，積累了
經驗。第1 章緒論
1.1 我國機械人研究現狀
機械人是一種能夠進行程式設計，並在自動控制下執行某種操作或移動
作業任務的機械裝置。
機械人技術綜合了機械工程、電子工程、計算機技術、自動控制及
人工智慧等多種科學的最新研究成果，是機電一體化技術的典型代表，是當代科技發展最活躍的領域。機械人的研究、製造和應用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，機械人技術發展非常迅速，各種用途的機械人在各個領域廣泛獲得應用。
我國是從 20 世紀80 年代開始涉足機械人領域的研究和應用的。2023年，我國開展了「七五」機械人攻關計畫。1987 年，我國的「863」計畫將機械人方面的研究列入其中。
目前，我國從事機械人的應用開發的主要是高校和有關科研院所。最初我國在機械人技術方面的主要目的是跟蹤國際先進的機械人技術，隨後，我國在機械人技術及其應用方面取得了很大成就。主要研究成果有：
哈爾濱工業大學研製的兩足步行機械人，北京自動化研究所1993 年研製的噴塗機械人，1995 年完成的高壓水切割機械人，國家開放實驗和研究單位瀋陽自動化研究所研製的有纜深潛300m 機械人，無纜深潛機械人，遙控移動作業機械人，2000 年國防科技大學研製的兩足類人機械人，北京航空航天大學研製的三指靈巧手，華理工大學研製的點焊、弧焊機械人，以及各種機械人裝配系統等。
我國目前擁有機械人 4000 臺左右，主要在工業發達地區應用，而全
世界應用機械人數量為83 萬台，其中主要集中在美國、日本等工業發達國家。在機械人研究方面，我國與發達國家還有一定差距。
1.2 工業機械人概述：
在工業領域廣泛應用著工業機械人。工業機械人一般指在工廠車間
環境中，配合自動化生產的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機械人。工業機械人的定義為：「一種自動定位控制、可重複程式設計的、多功能的、多自由度的操作機。
能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業。」
操作機定義為：「具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物
體或進行其它操作的機械裝置。」
乙個典型的機械人系統由本體、關節伺服驅動系統、計算機控制系
統、感測系統、通訊介面等幾部分組成。一般多自由度串聯機械人具有4～6 個自由度，其中2～3 個自由度決定了末端執行器在空間的位置，其餘2～3 個自由度決定了末端執行器在空間的姿態。
1.3 研究課題的提出
本研究課題是根據省教育廳《物流機械人操作研究與開發》課題的
需要而提出的。工業機械人在fms 中的一種典型應用如圖1-1 所示。
圖 1-1 工業機械人的一種典型應用
工業機械人固定在工具機或加工中心旁邊，由它們完成對加工工件的
上、下料和裝夾作業，通過輸送線運送工件，實現物流的運轉。當所要加工的產品放生變化、工件工藝流程改變時，就要調整柔性製造系統的布局。現在設想，將工業機械人固定在自動引導車（a**）上，改變自動引導車的軌跡，就可以適應工件和工件工藝流程的變化，大大提高加工系統的柔性。
設想的機械人工作方式如圖 1-2 所示
圖 1-2 可移動式機械人的應用
此外，對於這類小型的機械人，在原理不變的情況下，改變其結構，
增強人機功能，將它固定在小型的移動裝置或直接與移動裝置結合成一體，就可以應用到日常生活中，如生活中物體的搬運、人員的看護等。
因此，設計開發這樣一種可移動式、多自由度的小型機械人是有實
際意義的。
1.4 本**研究的主要內容
作者系統學習了機械人技術的知識，查閱了大量的文獻資料，對國
內外機械人、主要是工業機械人的現狀有了比較詳細的了解。在此基礎
上，結合作者本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，主要進行以
下幾項工作：
(1) 進行機械人本體結構的方案創成、分析和設計。
(2) 進行機械人靜力學學分析，
(3) 分析機械人操作臂的工作空間，根據分析結果對操作臂各個杆
件的長度進行選擇和確定。
第2 章機械人方案的創成和機械結構的設計
2.1 機械人機械設計的特點
串聯機械人機械設計與一般的機械設計相比，有很多不同之處。首
先，從機構學的角度來看，機械人的結構是由一系列連桿通過旋轉關節（或移動關節）連線起來的開式運動鏈。開鏈結構使得機械人的運動分析和靜力分析複雜，兩相鄰桿件座標系之間的位姿關係、末端執行器的位姿與各關節變數之間的關係、末端執行器的受力和各關節驅動力矩（或力）之間的關係等，都不是一般機構分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機構的運動學、靜力學方法。末端執行器的位置、速度、加速度和各個關節驅動力矩之間的關係是動力學分析的主要內容，在手臂開鏈結構中，每個關節的運動受到其它關節運動的影響，作用在每個關節上的重力負載和慣性負載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。
因此，機械人是乙個多輸入多輸出的、非線性、強耦合、位置時變的動力學系統，動力學分析十分複雜，因此，即使通過一定的簡化，也需要使用不同於一般機構分析的專門分析方法。
其次，由於開鏈機構相當於一系列懸臂桿件串聯在一起，機械誤差
和彈性變形的累積使機械人的剛度和精度大受影響。因此在進行機械人機械設計時特別要注意剛度和精度設計。
再次，機械人是典型的機電一體化產品，在進行結構設計時必須要
考慮到驅動、控制等方面的問題，這和一般的機械產品設計是不同的。
另外，與一般機械產品相比，機械人的機械設計在結構的緊湊性、
靈巧性方面有更高的要求。
2.2 與機械人有關的概念
以下是本文中涉及到的一些與機械人技術有關的概念。
1 自由度：工業機械人一般都為多關節的空間機構，其運動副通常
有移動副和轉動副兩種。相應地，以轉動副相連的關節稱為轉動關節。
以移動副相連的關節稱為移動關節。在這些關節中，單獨驅動的關節稱
為主動關節。主動關節的數目稱為機械人的自由度。
2 機械人的分類
機械人分類方法有多種。
(1) 按機械人的控制方法的不同，可分為點位控制型（ptp），連續
軌跡控制型（cp）：（a）點位控制型（point to point control ）：機械人受控運動方式為自乙個點位目標向另乙個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如
機械人在進行點焊時的軌跡控制。
（b）連續軌跡控制型（continuous path control ）：機械人各關節同時做受控運動，使機械人末端執行器按預期軌跡和速度運動，為此各關節控制系統需要獲得驅動機的角位移和角速度訊號，如機械人進行焊縫為曲線的弧焊作業時的軌跡控制。
(2) 按機械人的結構分類，可分為四類：
（a）直角座標型：該型機械人前三個關節為移動關節，運動方向垂
直，其控制方案與數控工具機類似，各關節之間沒有耦合，不會產生奇異
狀態，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。
（b）圓柱座標型：該型機械人前三個關節為兩個移動關節和乙個轉
動關節，以q, r, z為座標，位置函式為p = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂徑向長度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機械人占用空間小，結構簡單。
（c）球座標型：具有兩個轉動關節和乙個移動關節。以q,f, y 為坐
標，位置函式為p = f (q ,f, y)，該型機械人的優點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。
（d）關節座標型：有垂直關節型和水平關節型（scara 型）機器
人。前三個關節都是迴轉關節，特點是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。
(3) 按驅動方式分類：
按驅動方式可分為：（a）氣壓驅動；（b）液壓驅動；（c）電氣驅動。
電氣驅動是 20 世紀90 年代後機械人系統應用最多的驅動方式。它
有結構簡單、易於控制、使用方便、運動精度高、驅動效率高、不汙染
環境等優點。
(4) 按用途分類：
可分為搬運機械人、噴塗機械人、焊接機械人、裝配機械人、切削
加工機械人和特種用途機械人等。
2.3 方案設計
2.3.1 方案要求
如前所述，該機械人用於製造車間物流系統中工件的搬運、裝夾和
日常生活中的持物、看護等。能夠固定在移動裝置（如a**）上，以實現靈活移動。要求動作靈活，工作範圍大，被夾持物應具有多種姿態，自由度在5~6 個，結構緊湊，重量輕。
採用電動機驅動，設計負重為6公斤，手爪開合範圍5 mm～100 mm。
2.3.2 方案功能設計與分析
a 機械人自由度的分配和手臂手腕的構形
手臂是執行機構中的主要運動部件，它用來支承腕關節和末端執行
器，並使它們能在空間運動。為了使手部能達到工作空間的任意位置，
手臂一般至少有三個自由度，少數專用的工業機械人手臂自由度少於三個。手臂的結構形式有多種，常用的構形如圖2-1。
本課題要求機械人手臂能達到工作空間的任意位置和姿態，同時要
結構簡單，容易控制。綜合考慮後確定該機械人具有六個自由度，其中手臂三個自由度。由於在同樣的體積條件下，關節型機械人比非關節型機械人有大得多的相對空間（手腕可達到的最大空間體積與機械人本體外殼體積之比）和絕對工作空間，結構緊湊，同時關節型機械人的動作和軌跡更靈活，因此該型機械人採用關節型機械人的結構。
圖 2-1 幾種多自由度機械人手臂構形
手腕的構形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：
bbr 型、brr 型、rbr 型和rrr 型。如圖2-2 所示。
四種三自由度手腕構形
b 表示彎曲結構，指組成腕關節的相鄰運動構件的軸線在工作過程
中相互間角度有變化。r 表示轉動結構，指組成腕關節的相鄰運動構件的軸線在工作過程中相互間角度不變。bbr 結構由於採用了兩個彎曲結構使結構尺寸增加了，brr、rbr 前者相比結構緊湊。
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