模块化工业机器人设计的若干问题研究

论文摘要

随着现代工业的快速发展,工业机器人的应用越来越广泛。传统工业机器人的结构造型一经设计就不可改变,在工作环境和给定任务发生改变的情况下,传统工业机器人的固定构型显现出了很大的局限性,模块化工业机器人成为解决这一问题的新型工业机器人。模块化工业机器人是由一些结构和功能相似的机械模块组合装配而成,根据不同工作任务和生产环境,来选择不同模块组合方式构建相应的工业机器人。本文设计了一套机械模块,来构建不同类型的模块化工业机器人,通过这些机械模块既可以构建SCARA型工业机器人,也可以构建垂直关节型工业机器人,并对所提出模块化工业机器人的运动学问题进行了一些初步的研究,提出了一个解决该模块化工业机器人的运动学问题的有效计算方法。模块设计是模块化工业机器人的最基本工作之一,结合已有的模块化设计思想,将工业机器人分成若干个相互独立的关节模块,设计一套功能结构相互独立的模块来构建模块化工业机器人,利用不同数量、不同种类的模块来构建构型相异的模块化工业机器人,既可以是水平作业的SCARA型工业机器人,也可以是垂直作业的关节型工业机器人。构成模块化工业机器人的各个模块之间相互独立,确保每一个主动模块都是独立的可实现单独控制的机械单元,为了实现模块间快速有效地安装组合,模块之间设计有快速连接分离的连接器,使模块化工业机器人可以快速有效地实现重构。利用工具软件Pro-E来对每个模块的进行三维模型的建立,同时在Pro-E工作环境中构建各个类型的模块化工业机器人,分析各个工业机器人的运动干涉、动力学性能等,确定各个模块的最终结构功能参数以及相应的系列化参数。并分析相应的模块化工业机器人的系统结构功能参数;结合机械设计相关知识,利用Pro-E软件的测量分析功能模块,对关键零部件的机械性能进行校核,提出相应的模块优化方案。模块化工业机器人的运动学问题主要包括正运动学和逆运动学两个方面。正向运动学问题采用建立模块的齐次变换坐标矩阵模块库的方法来解决,利用D-H参数变换法来求解出每一个模块的坐标变换矩阵,然后根据重构后工业机器人的模块序列（从基座到末端执行器）,来逐个调用相应模块的齐次变换矩阵,然后通过齐次变换矩阵之间相乘运算来求解相应的正运动学方程。对于模块化工业机器人的逆向运动学问题,将模块化工业机器人的正向运动学方程与末端位姿矩阵建立等式,采用联立多项式的方法来求解模块化工业机器人的逆向运动学方程。最后,利用工具软件Labview软件对本文所提出的理论模型进行计算机模拟仿真,以验证模块化工业机器人的运动学的模型的正确性,并分析了其对末端执行器的运动轨迹产生的误差影响,从而优化模块化工业机器人的运动学模型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 模块化工业机器人
• 1.2.1 模块化机器人的概念及分类
• 1.2.2 国内外研究状况
• 1.3 研究意义
• 1.4 本文研究内容
• 第二章 模块化工业机器人的模块设计
• 2.1 引言
• 2.2 模块的划分
• 2.2.1 模块化思想概述
• 2.2.2 模块划分原理
• 2.2.3 模块划分种类
• 2.3 辅助模块的结构设计
• 2.3.1 辅助模块结构
• 2.3.2 连接模块参数
• 2.3.3 连杆模块参数
• 2.4 驱动模块的结构设计
• 2.4.1 驱动模块结构
• 2.4.2 驱动模块参数
• 2.5 基座模块的结构设计
• 2.5.1 基座模块结构
• 2.5.2 基座模块参数
• 2.6 小结
• 第三章 模块化工业机器人的构型特点分析
• 3.1 引言
• 3.2 模块化工业机器人的种类
• 3.2.1 模块系列化型号类别
• 3.2.2 本体三维造型种类
• 3.2.3 SCARA型模块化工业机器人三维造型
• 3.2.4 关节型模块化工业机器人三维造型
• 3.3 零部件选择与校核
• 3.3.1 伺服电机选型
• 3.3.2 锥齿轮校核
• 3.3.3 传动轴校核
• 3.3.4 传动间隙的处理
• 3.4 小结
• 第四章 模块化工业机器人的运动学问题研究
• 4.1 引言
• 4.2 模块化工业机器人的运动学方程建立方法
• 4.3 齐次坐标描述及变换
• 4.3.1 位置和姿态的空间描述
• 4.3.2 移动的齐次变换描述
• 4.3.3 旋转的齐次变换描述
• 4.3.4 移动加旋转的齐次变换描述
• 4.4 模块的齐次变换矩阵
• 4.4.1 辅助模块的齐次变换矩阵
• 4.4.2 基座模块的齐次变换矩阵
• 4.4.3 水平关节模块的齐次变换矩阵
• 4.4.4 垂直关节模块的齐次变换矩阵
• 4.4.5 模块间的扭角齐次变换矩阵
• 4.5 模块化工业机器人的正运动学问题
• 4.5.1 正运动学方程的建立
• 4.5.2 正运动学方程求解实例
• 4.6 模块化工业机器人的逆运动学问题
• 4.7 小结
• 第五章 运动学方程模拟仿真
• 5.1 引言
• 5.2 运动学用户界面及仿真
• 5.2.1 基于LabVIEW软件的用户界面
• 5.2.2 正运动学方程的验证
• 5.2.3 运动学模拟分析
• 5.3 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表和录用的学术论文
• 致谢