摘 要

本文主要研究了机器人正逆运动学及仿真，气动手爪的设计。

本文根据已知的机器人尺寸参数，按照D-H方法，建立机器人的连杆坐标系。得到坐标变换矩阵。通过几何法与欧拉角变换法计算逆运动学解，筛选最合适的解。使用MATLAB的robotics toolbox计算运动学逆解验证的同时计算仿真点连杆夹角。设计机器人前端气动手爪及气动控制方案。使用SolidWorks建立机器人和气爪的模型，进行动画仿真。

关键词：六自由度机器人；运动学分析；气动手爪

Abstract

This paper mainly studies the inverse kinematics and simulation of the robot, the design of pneumatic gripper.

In this paper, according to the known robot size parameters, according to the D-H method, the establishment of the robot linkage coordinate system. Get the coordinate transformation matrix. The inverse kinematics solution is calculated by the geometric method and the Euler angle transformation method, and the most suitable solution is selected. Using MATLAB's robotics toolbox to calculate the kinematic inverse solution to verify the angle of the simulation point. Design of Robot Front Pneumatic Hands and Pneumatic Control. Use SolidWorks to build robots and gripper models for animated simulation.

Key words: six-degree-of-freedom robot; kinematics analysis; pneumatic gripper

目录

摘要 3

第一章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外机械臂研究现状 2

1.3 本文主要研究内容 3

第二章 数控铣床上下料六自由度机器人需求分析 4

2.1 设计要求 4

2.2 总体设计方案 4

第三章 数控铣床上下料六自由度机器人运动学分析 5

3.1 六自由度机器人结构设计 5

3.2 机器人运动学模型的建立 8

3.2.1 坐标变换数学基础 8

3.2.2 D-H坐标系原则 9

3.3.3 六自由度机器人D-H坐标系 10

3.3 机器人正运动学分析 12

3.4 机器人逆运动学分析 13

3.4.1 前三个关节角 14

3.4.2 后三个关节角 16

3.5 机器人运动学仿真 18

第四章 数控铣床上下料六自由度机器人前端装置设计 22

4.1 气动抓手设计要求 22

4.2 气动抓手结构设计 22

4.3 气动抓手气缸选型与计算 23

4.4 气爪与机器人连接方案设计 25

4.5 气动控制方案设计 25

4.6 法兰盘有限元分析 27

4.7 数控铣床上下料六自由度机器人运动过程仿真 29

第五章 总结与展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献 34

致谢 36

第一章 绪论

1.1 研究背景和意义

工业机器人被大量应用在工业自动化生产中，机器人可以大大节省工业生产中的劳动力，让人们从一些重复繁琐的解放工作中解脱出来。 机器人技术包含各种学科的技术知识，包括机械设计制造，系统控制工程，MEMS技术和计算机技术等学科类别，^[1]代表了一个国家最高水平的电气水平，是一个国家的高科技水平重要的体现。

随着第一次工业革命的发展，一些自动化机械诞生了，机器人由理论发明成为现实，到了20世纪50年代末，世界上第一台机器人原型诞生在美国，随后人们生产出世界上第一台工业机器人，这打开了机器人发展的序幕。工业机器人系统主要由控制系统，执行器系统，末端执行器和电力系统四部分组成。 20世纪60年代，机器人进入快速发展阶段，开始逐步应用于工业制造领域。上世纪70年代，机器人基本进入实际应用阶段，伴随人工智能技术进入机器人领域，促进机器人技术更加智能化，人性化。二十世纪末，工业机器人进入快速发展的阶段，被广泛应用于汽车装配等领域。随着工业机器人技术的飞速发展，工业机器人广泛应用于汽车设计，加工，制造等领域。在现阶段，依托科技进步，随着信息技术，计算机技术，MEMS技术，智能制造技术等高科技科技的不断发展，机器人的应用范围越来越广泛，它逐渐从初期的工业领域进入一些极端的环境，微观技术近年来飞速发展，机器人得到越来越广泛的应用。从对机器人发展过程和社会环境来分析，将人工智能技术应用于机器人，成为未来主要的发展方向之一。人工智能技术提高了机器人的性能，应用范围和工作能力并且扩展了应用领域。在这个阶段，由于机器人技术提升了国家综合实力，世界各国越来越重视机器人的发展。机器人技术是新世纪所有国家开发的最重要的新技术之一。

如果要实现对工业机器人轨迹的控制，我们必须首先了解工业机器人在工作空间中的位置和姿态，即工业机器人端点在工作空间的位置和姿态。工业机器人的运动学分析，即驱动部件与机器人的位置，速度和加速度的实现之间的关系，它能解决了工业机器人在工作空间中的执行姿态和末端位置。工业机器人是开环结构。机器人结构通过改变机器人各部分的关节变量以此在空间中改变机器人终点的位置。解决机器人运动学问题的基本方法是D-H法。该方法是通过解决机器人连杆和连杆的参数，使得机器人参数模型建立，并凭借参数模型来解决机器人运动学问题。工业机器人的运动学主要包括正向运动学和逆运动学两个方面。工业机器人逆运动学问题比较重要，因为逆解决方案对机器人精度的快速计算有重要的影响，机器人逆运动学解决方案是国内外学者的研究重点，他们发明了许多研究方法。目前有三种解决机器人逆运动学的主要方法。它们是分析方法，数值方法，几何方法和一些其他算法^[2]-[9]。

机.器人运动学研究主要针对机器人轨迹规划，为机器人轨迹规划奠定基础，运动中的能量消耗可靠性和稳定性具有重要意义，因此研究者的轨迹规划研究发现了一些更普遍适用的轨迹规划方法。随着高科技和微电脑技术的飞速发展，国内外学者纷纷开发了许多新的轨迹规划算法。工业机器人的轨迹规划是指在实际工作过程中根据目标要求，计算机器人的运动参数的方法，使机器人轨迹在目标点之间运动。要求联合空间中的轨迹规划解决机器人运动变量相对于不同关节的时间变化。各种关节的变化不尽相同，移动关节主要是位移变化，旋转关节主要是角度变化。笛卡尔空间中的轨迹规划基于若干路径点，然后计算机器人端点的运动参数，如速度，加速度，每个关节变量由机器人逆解得出，其结果必须满足机器人运动轨迹是连续平滑的，这是为了保证机器人的平稳运行。

空间关节机器人的轨迹规划有很多种方法，如n多项式函数插补法和B样条函数插补法。将四项多项式插值函数应用于四自由度机器人轨迹规划的尝试，解决了轨迹规划的问题。 一些研究人员使用高阶多项式插值来连接机器人路径的重要关键点，并成功编写了机器人的平滑轨迹。 外国学者Bazaz通过总结上述方法，利用光滑的曲线，连接路径点，总结了机器人的轨迹。 通过改进轨迹规划算法，一些学者发明了一种方法，该方法解决了机器人在机器人加速初始和结束时的问题，使其在实际工作中更加稳定可靠。