摘 要

在实际的制造业生产活动中，工业机器人已经广泛应用于机械加工、表面处理、物品搬运等生产流程，工业机器人的开发和研究，对于提升制造加工质量、提供劳动生产率具有重要意义。

针对现有KUKA KR60加工机器人的物理参数，在MATLAB中，运用Robotics Toolbox工具箱建立标准D-H方法下的六联杆坐标系，并对关节转角处的偏移与实际逻辑回转轴的模型建立做出简化与优化；对实际加工路线进行路径规划控制，对一典型的单一方向加工路径中的正逆运动学进行分析，验证了所建立模型的合理性和轨迹规划的准确性。

在此基础上，建立了该六自由度加工机器人的三维实体模型，通过软件接口将虚拟机器人导入ADAMS平台，在各个驱动关节上，参照具体机器人的几何参数、传动原理及运动约束条件，基于三维实体模型建立了动力学模型；通过对MATLAB分析数据的整理，实现在ADAMS动力学模型中的轨迹规划，针对具体的运动情况，分析了在不同刚度条件下对于实际路径精度的影响，取得了一系列对比数据，为优化机器人的结构、改善加工质量及后续研究提供了具有一定价值的数据。此外，运用ADAMS/Vibration模块进行机器人振动模态分析，给出仿真结果及结论，对该机器人考虑振动因素的仿真方法做了初步探讨。

本文特色：从现有KUKA KR 60机器人的基本结构与实际参数开始分析，结合理论分析建立运动学与动力学模型，具有较好的连贯性，对于研究工业机器人的运动方式、路径规划及优化设计具有一定的参考价值。

关键词：六自由度机器人，运动学分析，动力学分析

Abstract

In the actual manufacturing activities, industrial robots have been widely used in mechanical processing, surface treatment, goods handling and other processes. The development and research of industrial robots is of great significance for improving the quality of manufacturing and providing labor productivity.

Aiming at the physical parameters of the existing KUKA KR60 processing robot, the six-link coordinate system under the standard D-H method is established by using the Robotics Toolbox in MATLAB, and the model of the deviation at the joint corner and the actual logical axis of rotation is simplified and optimized. The actual processing route is controlled by path planning, and the forward and inverse kinematics in a typical single-direction processing path is achieved. The rationality of the model and the accuracy of trajectory planning are verified by analysis.

On this basis, the three-dimensional entity model of the six-degree-of-freedom machining robot is established. The virtual robot is imported into the ADASM platform through software interface. On each driving joint, the dynamic model is established based on the three-dimensional entity model, referring to the geometric parameters, transmission principle and motion constraints of the specific robot. The trajectory planning control of the ADAMS dynamic model is realized by sorting out the analysis data of MATLAB. Aiming at the specific motion, this thesis analyses the influence of different stiffness conditions on the actual path accuracy, and obtains a series of comparative data, which provides valuable data for optimizing the structure of the robot, improving the processing quality and subsequent research. In addition, the ADAMS/Vibration module is used to analyze the vibration modes of the robot, and the simulation results and conclusions are given. The simulation method of the robot considering the vibration factors is discussed preliminarily.

Characteristics of this thesis: Starting from the analysis of the basic structure and actual parameters of the existing KUKA KR 60 robot, combining with theoretical analysis, the kinematics and dynamics model is established, which has a strong coherence, and has a certain reference value for understanding the motion mode, path planning and optimization design of industrial robots.

Key words: Six-degree-of-freedom robot, kinematics analysis, dynamics analysis

目录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 课题的研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现状 2

1.3 本文的主要工作 3

第2章 KUKA KR 60机器人运动学分析 4

2.1 KUKA KR60 工业机器人技术参数 4

2.2 机械臂主要零部件 6

2.3 机器人空间位姿描述 9

2.3.1 正交矩阵的旋转 10

2.3.2 旋转和平移的组合 11

2.4 六自由度机器人D-H方法建模 11

2.4.1 标准D-H方法 11

2.4.2 KUKA KR60机械臂标准D-H参数测量 13

2.4.3 KUKA KR60机械臂标准D-H模型建立 14

2.5 六自由度机器人运动学 17

2.5.1 正运动学分析 17

2.5.2 逆运动学分析 18

第3章 基于MATLAB机器人加工的轨迹规划 20

3.1 关节空间位置运动 20

3.2 笛卡尔空间轨迹规划 22

3.3 KUKA KR60 机器人加工路径 24

3.3.1 刀具位置准备 24

3.3.2 刀具前伸阶段 25

3.3.3 刀具运动阶段 26

3.3.4 运动学仿真结果 27

第4章 基于ADAMS的机器人动力学建模分析 30

4.1 六自由度机器人动力学 30

4.1.1系统动能与势能 30

4.1.2 拉格朗日动力学方程 31

4.2 ADAMS构建物理模型构建 32

4.2.1 三维模型导入 32

4.2.2 电机转子的抽象化 33

4.2.3约束以及驱动添加 34

4.3 样条实验数据 37

4.3.1样条实验数据的整理 37

4.3.2样条实验数据的导入 38

4.3.3样条实验数据的修正 38

4.4 重力、刚度及驱动函数的确定 39

第5章 仿真结果与分析 41

5.1运动学轨迹比对 41

5.2刚度对末端运动的影响 42

5.2.1 刚度对末端位移的影响 42

5.2.2刚度对末端加速度的影响 45

5.2.3刚度对末端速度的影响 47

5.3振动模态分析 49

第6章 总结与展望 50

6.1论文总结 50

6.2环境影响与经济性分析 50

6.3研究展望 51

参考文献 53

附录 55

致谢 59

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的及意义

随着中国成为世界制造业的中心与枢纽，工业生产中对于效率与效益的追求日益渴求，“中国制造2025”的提出与积极推进，使得机器人在中国的制造业中随处可见，2012年以来，中国工业机器人销售额以36%的年平均增长率成倍增加^[1]，在可以预见的未来，中国将会成为全世界第一生产制造国与使用国^[2]。

机器人的设计优化过程涉及多学科多领域的交融，在材料学科、控制学科、机械学科、基础数学与物理学科都有较大的依赖性，实际过程中在模型建立、运动学、动力学计算、优化设计等方面的工作非常重要，利用相关软件对实际机器人进行仿真模拟，可以将上述工作简化结合，不需要制造每一个实际物理零件就可以让用户观察、分析改进相关设计，大大提高了工作效率，且可以用于模拟现实制造环境，测试其可靠性，达到优化设计的目的^[3]。

虽然工业机器人显示出了极大的生命力，在现代工业体系与全球化分工中已成为激烈制造业竞争中具有核心竞争力的技术^[4]，六自由度加工机器人已面世多年，但国内相关技术尚不成熟，技术链条不连贯，导致了对于相关结构了解过少，技术储备不足。工业机器人在实际加工中需要解决两个问题:即末端执行器的启停波动现象和运动轨迹的偏差^[5]，这就需要结合机器人仿真技术模拟规划以实现全过程中减小振动与冲击；机器人的运动轨迹对加工质量会产生巨大影响，所以研究机器人的运动学、动力学非常重要，基于此设计验证机器人的理论方法具有一定参考价值。