摘 要

工业机器人在制造行业中具有举足轻重的地位。本文以六自由度工业机器人运动学和动力学理论为研究基础，建立六自由度工业机器人的虚拟模型，并对该模型进行仿真分析。

本文主要从以下几个方面展开：

（1）本文以工业机器人空间描述和变换为基础，分析工业机器人的位置与姿态矩阵及其变换。

（2）采用D-H参数法建立工业机器人连杆坐标系。根据操作臂各坐标系相互间的变换矩阵，建立各连杆间的矢量变换关系，通过数学方法表达各连杆相对于基坐标系的位置与姿态，这是关于工业机器人正运动学的问题。另一类问题是在给定末端执行器位姿的情况下，如何计算能够达到此位姿的各关节角度，本文将通过解析法对该问题进行求解。

（3）机器人的动态特性对于装备制造有着深渊影响。因此，本文针对机器人的动力特性展开研究，采用牛顿—欧拉迭代方式，分析机器人的系统特性。该研究为工业机器人的实时仿真奠基。

（4）工业机器人系统涉及机、电、液、控等多个领域，是非常复杂的一体化系统。本文将复杂模型分解为多个简单且属于同一领域的子模型，然后分别对各个领域的子模型进行针对性建模。这些子模型可利用之间的串口联系起来，一个复杂的系统就这样建立。该模型在建立时使用相同的建模语言，减少了不同模型之间的偶和问题。

（5）最后，本文对该模型进行仿真分析。采用PD调节方法，通过调整控制器的微分系数Kd与比例系数Kp，观察各个参数对于系统控制误差和稳态误差的影响。从而获取一组比较适宜的控制参数，提高系统的动态性能与响应速度。

本文以机器人运动学、动力学为研究基础，详细分析了工业机器人多领域建模特点，采用多领域统一建模软件Mworks对该系统进行建模、仿真分析与优化。

关键词：工业机器人；运动学；动力学；多领域建模；仿真分析

Abstract

Industrial robots in the manufacturing industry has a pivotal position. Based on the theory of kinematics and dynamics of six-degree-of-freedom industrial robots, this paper establishes a virtual model of six-degree-of-freedom industrial robots and simulates the model.

This article mainly from the following aspects:

(1) Based on the description and transformation of industrial robot space, this paper analyzes the position and attitude matrix of industrial robot and its transformation.

(2)The D-H parameter method is used to establish the industrial robot linkage system. According to the transformation matrix of each coordinate system of the operating arm, the vector transformation relation between each link is established, and the position and attitude of each link relative to the base coordinate system are expressed mathematically. This is the problem of positive kinematics of industrial robot. Another problem is how to calculate the angle of each joint that can reach this position at the end of the given actuator, and this problem will be solved by analytic method.

(3)The dynamic characteristics of the robot has a profound impact on equipment manufacturing. Therefore, this paper studies the dynamic characteristics of the robot, and uses the Newton-Euler iteration to analyze the system characteristics of the robot. The study laid the groundwork for real-time simulation of industrial robots.

(4) Industrial robot system involves machine, electricity, liquid, control and other fields, is a very complex integrated system. In this paper, the complex model is decomposed into several sub-models which are simple and belong to the same domain, and then the sub-models of each domain are modeled respectively. These sub-models can be used to link between the serial ports, and a complex system is created. The model uses the same modeling language at the time of establishment, reducing the occasional problem between different models.

(5) Finally, this paper carries on the simulation analysis to this model. The influence of the parameters on the system control error and steady-state error is observed by adjusting the differential coefficient Kd and the proportional coefficient Kp of the controller by using the PD adjustment method. So as to obtain a set of more appropriate control parameters, improve the system's dynamic performance and response speed.

Based on the kinematics and dynamics of robot, this paper analyzes the characteristics of industrial robot multi-domain modeling in detail, and uses the multi-domain unified modeling software Mworks to model, simulate and optimize the system.

Key Words：Industrial robots; kinematics; dynamics; multi-domain modeling; simulation analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 工业机器人研究概述 1

1.2.1工业机器人运动学系统的发展现状 1

1.2.2工业机器人仿真研究的发展现状 2

1.3 课题研究的主要内容 4

第2章 建立工业机器人的运动学模型 5

2.1建立工业机器人的三维模型 5

2.2 工业机器人的位姿描述及坐标变换 6

2.2.1位置描述 6

2.2.2姿态描述 6

2.2.3位姿描述 7

2.2.4坐标系到坐标系的变换 7

2.3工业机器人运动学模型的建立 10

2.3.1工业机器人连杆坐标系的建立方法 10

2.3.2工业机器人连杆变换矩阵 11

2.3.3建立工业机器人运动学模型 12

2.4六自由度工业机器人逆运动学运算 15

2.5本章小结 19

第3章 建立工业机器人的动力学模型 20

3.1动力学概述 20

3.2连杆加速度分析 20

3.3 刚体质量分布分析 21

3.4 牛顿-欧拉动力学方程 21

3.5 本章小结 22

第4章 建立工业机器人多领域仿真模型 23

4.1建立工业机器人的机构模型 23

4.1.1模型库的建立 24

4.1.2建立工业机器人各构件模型 25

4.1.3建立工业机器人转动关节模型 26

4.1.4建立工业机器人的机构模型 27

4.2 建立关节驱动系统模型 28

4.3 建立路径规划模型 31

4.4 建立机器人系统仿真模型 32

4.5 本章小结 33

第5章 工业机器人仿真分析 34

5.1 控制方式及稳定性分析 34

5.2 控制器模型及参数 34

5.3 仿真参数分析 36

5.3.1控制参数对各关节轴的影响 36

5.3.2逆动力学模型参数对控制误差影响 39

5.4 本章小结 42

第6章 环境影响及经济性分析 43

6.1 环境影响分析 43

6.2 经济性分析 43

6.3本章小结 43

第7章 全文总结与展望 45

7.1工作总结 45

7.2研究展望 45

参考文献 46

致 谢 48

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

在现代制造中，自动化技术的应用和智能化程度的不断提升，生产速度和生产质量有了极大改观。工业生产是以先进的机械设备和高效的管理为基础的，不断为国民经济的增长服务。随着科技的迅猛发展，工业生产的自动化与人工智能控制的有效结合，对当今工业的技术改革与发展起到了深渊影响。

机电一体化技术为自动化、智能化生产奠定了基础^[1]。六自由度工业机器人作为机电一体化产品中最为典型的装置，其发展水平在某种程度上就代表了当今科技水平的发展状况。六自由度工业机器人不仅能够在简单、重复的工作中脱颖而出，极大提升生产制造的效率。更能在一些不确定的危险和恶劣的环境中发挥着重要作用。

对工业机器人的研究是永无止境的，机器人的自动化研究已经成为目前科技工作者的研究重点^[2]。而工业机器人仿真平台与技术的进步使得机器人的发展更为迅速。该课题以六自由度工业机器人结构及运动分析以及动力学仿真为基础，利用仿真软件对机器人控制方式进行仿真与优化^[3]。

1.2 工业机器人研究概述

21世纪以来，工业机器人数量持续增加，机器人的价格持续下降，极大降低了产品的生产成本^[4]。工业机器人不仅价格越来越低，而且在生产领域使工作变得更加高效，更加柔性，更加精确。当今普通机器人的研发体系已经比较健全，应用十分普遍^[5]。而某些能实现特种生产和高级功能的智能工业机器人技术也迅猛发展^[6]。全球范围内，工业机器人未来的研究方向必将是人工智能代替传统的生产方式^[7]。工业机器人的研究也将是以智能化为基础的研究^[8]。智能型工业机器人的前景会越来越广阔，必将造福社会^[9]。

1.2.1工业机器人运动学系统的发展现状

工业机器人操作臂研究的主要内容是运动学性质，是机器人运动系统的研究基础。对工业机器人的运动控制研究，运动学是基础。运动学所涉及的问题包括以下内容：

（1）操作臂的空间位置、速度、加速度及其与位置相关的导数^[10]；