论文总字数：20367字

摘 要

本文的研究对象是UR3工业机器人，在对UR3工业机器人的六个连杆和关节进行正逆运动学分析，从而创建一个符合主题的UR3工业机器人参数模型，这需要用到基于通用机器人的D-H（Denavit- Hartenberg）矩阵算法，然后再依据机器人的机构模型建立的大量矩阵得出的方程组来推出结构组成。其中，在对矩阵方程组消除参数过程中，要得到一个参数的多项式并求出解才能进行详细的正向和逆向机器人运动学推导。在本文最后，将通过MATLAB工程实例来进行UR3工业机器人的运动学仿真，通过编程正逆运动学解析式得出的数据与软件仿真对比，从而验证此解法的正确与准确。

关键词：工业机器人；运动学；D-H矩阵；MATLAB；仿真

Structure optimization of industrial robot and realization of digital twin system

Abstract

The research object of this paper is the UR3 industrial robot. After analyzing the forward and inverse kinematics of the six links and joints of the UR3 industrial robot， a theme-based parameter model of the UR3 industrial robot is created， which requires the D-H(Denavit- Hartenberg) matrix algorithm based on the general robot， and then deduces the structural composition according to the equations obtained from a large number of matrices established by the robot"s mechanism model. Among them， in the process of eliminating the parameters of matrix equations， it is necessary to get a polynomial of the parameters and find the solution before the detailed kinematics derivation of forward and reverse robots can be carried out. At the end of this paper， the kinematics simulation of UR3 industrial robot will be carried out by MATLAB engineering example， and the data obtained by programming forward and inverse kinematics analytical formula will be compared with the software simulation， so as to verify the correctness and accuracy of this solution.

Key words: Industrial Robot; Kinematics; D-H matrix; MATLAB; ;Simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 引言 1

第2章 机器人的位姿描述、坐标变换及矩阵法应用 3

2.1 机器人位姿表示 3

2.1.1 位姿表述 3

2.2 坐标变换 5

2.2.1平移坐标变换 5

2.2.2旋转坐标变换 5

2.2.3 复合变换 6

第3章 机器人运动学分析 7

3.1 UR3机器人运动学模型 7

3.2 UR3机器人运动学推演 8

3.2.1 正向运动学 8

3.2.2 逆向运动学 9

第4章 UR3机器人运动学模型仿真及验证 12

4.1 UR3机器人模型 12

4.1.1 建立运动学模型 12

4.1.2 建立运动学模型程序 12

4.2 正逆运动学模型及验证 13

4.2.1 正运动学程序 13

4.2.2 逆运动学程序 13

4.2.3 正逆运动学求解程序 15

4.2.4 正逆运动学验证结果 15

4.2.5 正逆运动学验证结论 15

第5章 总结 16

致 谢 17

参考文献 18

第1章 引言

目前，全球工业文明正在逐渐步入4.0新时代，这一变化将引起生产模式与供需关系的重大变革。其中工业机器人就是广泛应用于各种工业生产领域的一种多过程关节驱动机械手或者者说是多关节自由度驱动机器设备，它们本身具有一定的自动机械性和自动性，可以直接依靠自己的机械驱动系统能源和过程控制驱动系统软件来自动实现不同的各种工业生产原料加工和设备制造。工业工程机器人已经广泛地可以应用发展到了汽车电子、物流、化工等诸多工业工程技术创新领域之中。

在互联网时代背景下，数字双胞胎概念应运而生，数字双胞胎是基于工业生产和数字化的一个概念，即在一个数字化的虚拟空间中，以各种数字化的方式来帮助物理对象进行虚拟化的模型，仿真一个物理空间中的实体在虚拟化的环境中的动作和特点，从而可以达到真实和虚实之间精确映射，最终使得实体能够实现在工业生产实践中的开发、测试、工艺及应用运行维修等各个方面打破了现实和虚拟世界的鸿沟，实现了产品全寿命周期内的批量生产、管理、连接等高度数字化及模块化的新技术。

串联式机器人因其具有结构简单，控制方便，运动空间较大并且操作灵活性好等特殊技术优点，被广泛应用在了搬运、焊接、装配、喷涂、检查等，主要适合于各种现代化工厂及其柔性材料加工系统。而丹麦最先进的工业机器人生产企业 universal robotsg 公司的优傲机器人凭借其在编程简便、安装迅捷、部署灵活、协作性与网络安全等诸多方面的特点，在这些年的各种工业的展会上收到了热烈的反响。优傲的协作式机器人COBOT能让用户体验到这种先进的机器人技术在自动化应用的各类优势，并且经济实惠，对比传统机器人编程、设置、以及安全防护装置，不会产生额外成本。通过自动化制造发现了许多可供选择的优点。

ur3协作式作业机器人它所采用的平台是一种六轴无关节的可协作式的小型桌面作业机器人，特别适合于轻型的机械装配式人工作业和机械工程师使用自动化的人工作业管理平台等多种作业应用。这种紧凑型的末端协作式同时移动数控桌面工作机器人的平均重量仅仅只有24.3磅(11千克)，但有效移动负荷大约至少可以达到高达6.6磅(3千克)，所有的末端手腕和背部关节都同样可以同时移动实现360度的横向旋转，末端和背部关节也同样可以同时进行无限的角度旋转。以上独特的技术优势条件让ur3e的高协作式移动计算应用机器人已经迅速发展早熟成为当前业内国际应用市场上一款超灵活、超轻型的高协作式移动计算机器人桌面应用机器人，可与您的员工协同工作。

对于对产品质量稳定性要求较高的应用，如装配、抛光、涂胶和拧紧等应用，UR3协作式机器人是上佳之选。该款协作式桌面机器人也可用于安装在桌面上的独立工作站，执行拾取、装配和放置零件等任务，优化生产流程。由于其外型紧凑且易于编程，可以在不同任务之间轻松切换，以满足灵活的生产需求，从而降低总成本，缩短投资回报期。UR3机器人应用非常广泛，涵盖制造业的各个领域，包括医疗设备、电路板和电子元件等。

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