基于仿真技术的六轴工业机器人的设计及轨迹规划

摘要

六轴机器人主要包含了机械本体系统，运动控制系统，传感反馈系统等，本文主要针对机械本体和运动控制进行研究。首先根据载荷工况情况确定工业机器人的总体设计目标和具体的技术指标，从而确定总体设计方案。参考各种类型机器人机械结构以及机器人常用的构型，最后选择了关节式构型作为六轴机器人的构型并且利用CAD软件建立了机器人的三维模型。然后利用MATLAB软件中的机器人工具箱（Robotics toolbox）进一步完成了六轴机器人的正运动学仿真。通过给定机器人末端的运动轨迹，然后对其进行反解，求出各个关节的角度变化，完成了逆运动学的仿真。在MATLAB中完成正逆运动学仿真之后，为了更加直观的看到机器人模型的运动情况，对机器人进行了ADAMS和Simulink的联合仿真。首先在Simulink中搭建了ADAMS和MATLAB的数据传输模块，通过这一模块可以将MATLAB中的计算结果数据传输到ADAMS中。利用这种联合仿真的方法，对机器人进行了正逆运动学的联合仿真以及机器人在特定轨迹下的动力学仿真。最后对机器人整体结构进行了结构优化，即轻量化设计。首先确定了优化问题，并且定义了两个极限位置工况，建立了有限元模型。然后对两种不同材料进行了优化对比，发现使用3D打印塑胶材料性能更优。材料选定之后，利用了尺寸优化和拓扑优化两种优化方法相结合的办法对机器人整体结构进行了优化。根据优化结果，对机器人整体结构进行几何重构，通过最后的仿真验证可知结果满足设计要求。最终机器人新结构的质量为1.337kg，较原始模型质量1.818kg，减少了0.481kg，减重26.5%，达到了轻量化设计的目标。

目录

声明

1. 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状及发展趋势

1.2.1 六轴机器人的研究概况

1.2.2 机器人轨迹规划研究概况

1.2.3 轻量化技术研究概况

1.3 本文研究的内容

2. 六轴机器人总体设计方案

2.1 引言

2.2 总体设计方案

2.2.1 机器人构型选择

2.2.2 机器人结构尺寸设计

2.2.3 关节电机选型

2.3 模型建立

2.4 本章小结

3. 六轴机器人的轨迹规划

3.1 引言

3.2 关节空间轨迹规划

3.2.1 关节空间轨迹规划的原理

3.2.2 关节空间轨迹规划的原则及意义

3.3 关节空间轨迹插值函数

3.3.1 多项式插值

3.3.2 摆线运动插值

3.4 末端笛卡尔空间轨迹规划

3.4.1 末端笛卡尔空间轨迹规划的流程

3.5 六轴机器人正逆运动学

3.5.1 运动学模型建立

3.5.2 正运动学公式的推导

3.5.3 逆运动学方程的推导

3.5.4 雅克比矩阵

3.6 六轴机器人运动学仿真

3.6.1 六轴机器人运动学模型建立

3.6.2 六轴机器人正运动学轨迹的建立与仿真

3.6.3 六轴机器人逆运动学轨迹的建立与仿真

3.7 本章小结

4. 六轴机器人的运动与控制联合仿真

4.1 引言

4.2 六轴机器人运动学联合仿真

4.2.1 虚拟样机技术介绍

4.2.2 机器人运动学虚拟样机系统搭建

4.3 机器人运动学联合仿真结果

4.3.1 正运动学仿真

4.3.2 逆运动学仿真

4.4 机器人动力学联合仿真

4.4.1 多刚体动力学理论

4.4.2 机器人动力学联合仿真结果

4.5 本章小结

5. 六轴机器人结构轻量化设计与仿真

5.1 引言

5.2 有限元介绍

5.2.1 有限元分析简介

5.2.2 有限元分析步骤

5.2.3 有限元分析过程

5.3 机器人轻量化设计

5.3.1 优化问题描述

5.3.2 两种材料对比分析

5.3.3 有限元模型建立

5.3.4 结构尺寸优化

5.3.5 结构拓扑优化

5.4 几何重构与仿真验证

5.4.1 几何重构

5.4.2 仿真验证

5.5 本章小结

6. 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的研究成果

致谢