论文总字数：27148字

摘 要

机器人作为现在协助人类或代替人工作的重要机械设备，对于人类社会的发展有着极其重大的意义。现如今国内外已有不少成熟的机器人设计实例，针对不同的工作任务需求诞生了不同的机器人。类人机械臂是机器人技术中的一个热门方向，这类机器人在人类生活中的各个行业都会出现，是人类社会进步的一大助力。

本文研究设计的是移动野外作业的机械臂的一部分，该机器人包含了宏微机械臂两部分，本文专注于宏机械臂部分的设计，基于MATLAB研究了该机械臂的正逆运动学，并借助MATLAB机器人工具箱建立机械臂模型进行轨迹模拟仿真，采集其运动轨迹数据。在MATLAB连杆模型的基础上运用SOLIDWORKS建立三维模型，设计机械臂的机械结构，包括机械臂的驱动系统和传动方式。最后基于已有的机器人动力学中的牛顿-欧拉动力学方程编写计算机械臂关节力矩的算法，研究机器人动力学方法。

关键词：机器人；MATLAB；运动学；动力学；机构设计

Abstract

As an important mechanical device that now assists humans or replaces people to work, robots are of great significance to the development of human society. Nowadays, there are many mature robot design examples at home and abroad, and different robots have been born for different work tasks. Humanoid robotic arms are a hot trend in robotics. These robots appear in various industries in human life and are a major boost to human social progress.

This paper studies the design of a part of the robotic arm for moving field work. The robot contains two parts of the robotic arm：macro robotic arm and micromanipulator. This paper focuses on the design of the macro robotic arm part. Based on MATLAB, the forward and inverse kinematics of the manipulator are studied. The MATLAB robot toolbox establishes a manipulator model for trajectory simulation and collects its motion trajectory data. Based on the MATLAB linkage model, SOLIDWORKS is used to build a three-dimensional model, and the mechanical structure of the robotic arm is designed, including the drive system and transmission mode of the robot arm. Finally, based on the Newton-Eulerian dynamic equation in the existing robot dynamics, the algorithm for calculating the joint moment of the mechanical arm is programmed to study the robot dynamics method.

KEY WORDS: robotic arm; MATLAB; kinematics; dynamics; mechanism design

目 录

摘 要 1

Abstract 2

第一章 绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3机器人设计关键问题 3

1.4论文主要内容 3

第二章 四自由度机械臂运动学 5

2.1机械臂运动学分析 5

2.1.1机器人运动学概念 5

2.1.2 D-H参数法原理 5

2.2机械臂正运动学求解 6

2.2.1建立连杆坐标系 6

2.2.2变换方程计算 7

2.3机械臂逆运动学求解 8

2.3.1可解性 8

2.3.2求解过程 9

2.4 MATLAB编程和轨迹仿真 10

2.4.1基于MATLAB建立机器人模型 10

2.4.2轨迹规划仿真 11

2.5本章小结 15

第三章 机械臂机构设计 16

3.1设计方案 16

3.2整体机构设计 17

3.2.1大臂设计 18

3.2.2中臂设计 18

3.2.3小臂设计 19

3.2.4各轴承定位 19

3.3驱动机构设计 20

3.3.1大臂驱动方式 20

3.3.2中臂和小臂驱动方式 22

3.4传动机构设计 23

3.4.1底部回转传动 23

3.4.2关节三传动设计 23

3.5本章小结 25

第四章 四自由度机械臂动力学 26

4.1机器人动力学概念 26

4.2牛顿-欧拉迭代动力学方程 26

4.2.1惯性张量 26

4.2.2牛顿方程和欧拉方程 26

4.2.3迭代方程 27

4.2.4算法编写 28

4.3本章小结 28

第五章 总结与展望 29

5.1总结 29

5.2展望 29

参考文献 31

致 谢 32

类人机械臂结构设计

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

机器人作为协助人类工作的装置设备，从发展之初，到进入人类的日常生活工作，经历了漫长的过程。一开始的机器人并算不上智能，而是实现了可编程化的再现式机器人，随着工业的发展和计算机技术的发达以及电子技术的成熟，智能机器人慢慢进入了人类的生活。如家庭式机器人、教育机器人等一类的服务机器人和覆盖到工业领域各个方面的工业机器人。机械臂作为大部分机器人的主要形式，其研究领域包含了空间轨迹描述和变换、操作臂运动学、动力学、控制编程等多个方面，需要多种知识的相互结合，包括机械设计、电工电子、人工智能、控制理论等。随着时代的发展，机械臂技术也渐渐的朝着专业化、智能化、大负载等方向发展，向着高精密度、高速、稳定的目标前进。

机器人技术是现如今高速发展社会的热门行业，随着世界工业水平的提高和科技的进步，机器人的发展迎来了前所未有的高速发展期。进入新世纪之后，全世界都把目光聚焦于机器人技术的发展，使其逐渐成为综合国力竞争的关键技术。机器人是最直观的机电一体化设备，无论是工业机器人还是智能机器人，都是集机械、自动控制、电子、计算机以及人工智能等多个学科为一体的一项综合性应用技术。在计算机被发明出来的二十多年后，机器人紧跟计算机的脚步被制造出来。1961年，世界上首款工业机器人在美国Unimate公司诞生了，从那时候开始，机器人技术开始出现在世界历史舞台。1980年开始日本等国的工业机器人疯狂发展，迅速普及，国际上称这一年为“机器人元年”。经过几十年不断的研究和发展，机器人已经在各行各业中为人类带来了巨大的帮助。在制造业中，特别是在机械制造业中，工业机器人被用在多个环节中，现在已经有工厂实现了“无人工厂”化，人们不需要再做一些高强度的工作。作为高科技新兴制造的关键核心技术和重要支柱，机器人正在改变着世界，影响着人类未来的发展，机器人不仅能够提高工作作业的效率和质量，而且对保护人身安全、改善工作环境、降低生产成本都有着十分重大的意义。因其执行任务的精确度、效率高，机器人在农业领域和其他领域中的应用也非常的广泛，如野外排爆、农业采摘等野外作业任务都有机械臂的参与。机器人推进了工厂实现自动化无人工厂，可代替人类执行危险任务或为人类完成工作提供巨大便利，成为解决制造业难题和提高工厂和农业效率从而提高国家国际竞争力的手段。如今国内制造业以及各工农业产业萧条，产能过剩，随之而来的问题则是缩小规模和大量的裁员，这种时候机器人的作用就显得极为重要。设计一个机器人，最基本的就是要实现机械臂的正常运动，要达到这个目标，机械设计运动学和动力学是其中的关键，手臂的机构、传动系统、摆臂的力矩和驱动功率都是需要着重考虑的因素，而项目设计的机械臂还需要克服野外作业的各种障碍，使其能够更好的完成野外作业。根据国外的专家预测，机器人技术将是即汽车、计算机出现之后新的大型高科技产业。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

Hassane Abouaïssa和Samira Chouraqui两人基于优化策略发展对六自由度PUMA560操作臂进行的研究，通过MATLAB和SIMULINK对操作臂进行仿真模拟分析，并比较了基于模型自由控制器和基于计算扭矩控制的PUMA560操作臂，结论为基于模型自由控制器的操作臂更精确，效率更高，可命令非线性系统。^[1] Manfred Hiller介绍了新投射的大型移动重型机械手的建模，仿真和控制设计，这些机械手是机电系统的典型例子。通过与工业项目相关的三个不同示例来演示各种技术。这三个示例分别是大型冗余机械手、平衡起重机、移动机器人。^[2] 文献[3]提出了一种采用液压驱动的大型轻型机械手数学建模的系统方法。已经表明，适当选择用于近似梁的弹性弯曲的基函数对于在模型中包含静摩擦具有显着的优点。此外，移动式混凝土泵的模拟和测量结果已经证明了所提出的建模方法的准确性和可行性。Karl Iagnemma团队给出了基于来自基座安装的力/扭矩传感器的反馈的液压操纵器控制方案。对于液压操纵器，由于在这些系统中发现的高非线性关节摩擦，这些精细运动难以执行。跟踪不良，粘滑行为，经常发生大的静态位置误差。其团队基于准静态方程开发了一种易于实现的简化形式。给出了Schilling Titan II工业液压机械手在简化控制算法下执行精细运动任务的实验结果。^[4]

1.2.2国内研究现状

目前，国内有些研究机构与学者已对类人机械臂展开了相关研究，王春荣等通过对人臂的结构进行分析，设计一款与人臂结构相近的六自由度仿人机械臂，其中包括了肩关节为绕坐标系三个轴旋转的三个自由度、肘关节一个俯仰自由度、腕关节为两个自由度，共计六个自由度；并分析人臂在取物时的运动过程，通过 ADAMS 仿真其对应运动过程的速度、位移等信息，表明所设计机械臂的合理性; 最后设计了用于仿人机械臂的控制系统，利用 ADAMS 与 MATLAB 对机械臂的轨迹与抗干扰能力进行了分析， 表明所设计的对设备的控制系统具有良好的轨迹跟踪与抗干扰能力，能模仿人臂运动并完成一系列动作。^[5] 六自由度机器人虽比人臂的7自由度少了一个自由度，但基本上满足对人臂的研究。张立勇等对一种油茶果采摘机械臂进行了优化，原机器一种6自由度机械臂，该种机械臂仅能实现采摘头在水平面位置的调整，对于采摘头在垂直方向还没有进行讨论，因此改进为一种多自由度采摘机械臂，能够保证采摘头以最佳的姿态进入油茶树中进行采摘，其实验结果表明动臂液压缸安装距离对油茶采摘机械臂采摘空间指标均能产生显著影响。^[6] 明添等基于机器人动力学拉格朗日法研究已有五自由度移动排爆机器人的动力学特性，结合已有结构构建动力学模型，推导方程和机器人的连杆参数，并运用机器人运动学进行仿真，模拟机械臂的运动轨迹，由推导出来的方程求各个关节力矩，并结合电机性能参数验证了运动规划的合理性。^[7] 文献[8]研究了两种液压杆在不同位置的关节型机械臂，并从其设计参数、刚度要求、结构等方面分析了两种机械臂的优劣势。从车载液压机械臂设计的特殊工作性能要求为重物转载工作考虑选用其中一种方案。^[8] 周万龙等根据实际工况用弹簧阻尼对液压缸进行等效处理，求解液压挖掘机机械臂静平衡状态下主要机械臂应力分布及液压缸受力特性，应用虚拟阻尼弹簧等效液压缸连接，建立了虚拟阻尼弹簧计算模型，求解了危险工况位姿时的刚度和阻尼值，应用有限元软件ANSYS对挖掘机危险工况位姿时进行静力学分析，得到应力集中区域及最大应力分布位置，为机械臂的设计制造、优化分析提供依据。^[9] 文献文献[10]设计的是一种搬运较大型木材的车载液压驱动机械臂，根据已有的机器人理论，对机器人三维建模和零件受力分析，然后考虑其液压系统的的液压脉动评率，结合机械臂野外作业的工作环境和所搬运的木材的尺寸等现实因素，对所设计的机械臂进行优化，达到满足目标要求的效果。

1.3机器人设计关键问题

对于设计者来说，设计一个机器人的结构最重要的就是要清楚定义这个机器人是用来做什么的，需要达到的效果是怎样的，然后根据这些作业任务来设计机器人的结构，包括机器人的自由度分布，机器人的驱动方式、连杆参数，还要考虑到结构是否美观，设计是否具有经济性各种问题。

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