手势机器人设计与制作.docx

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1、手势机器人设计与制作机械结构设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械电子工程蒋雪雯学 号：职 称：160404102466吴明友副教授中国珠海二二年五月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计手势机器人设计与制作机械结构设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日手势机器人设计与制作机械结构设计摘 要在实际生活中,工业机器人早已成为一种应用广泛的自动化机械装置，在现代生产中发挥着重要作用。本文主要介绍手势机器人的机

2、械结构设计，实现机器人手部的抓放物体的功能。本设计主要使用SolidWorks进行制作三维造型设计，初步选择舵机作为合适的驱动源，并设计出相应的零件模型，逐个装配好模型，组装出整个机器人。计算出机器人的关节变量，得出D-H参数并运用MATLAB机器人工具箱进行机器人运动仿真。为了验证部分设计的零部件在整个机构的可靠性，需要对手势机器人进行相应的受力分析，选择采用SW自带的simulation插件对零部件进行有限元分析，根据分析结果做出相应的结构优化。关键词：手势机器人；机械结构；三维建模；有限元分析Gesture robot design and production - Mechanical

3、 design Abstract In real life, industrial robot has long been a widely used automatic mechanical device, which plays an important role in modern production. This article primarily presents the mechanical structure design of the gesture robot, which can realize the function of grasping and placing ob

4、jects in the robot hand. This design mainly uses SolidWorks to make three-dimensional modeling design, initially select the rudder as the appropriate driving source, and design the corresponding part model, one by one assembled model, assembly the entire robot. The joint variables of the robot are c

5、alculated, the D-H parameters are obtained, and the motion of the robot is simulated by using MATLAB robot toolbox. In order to verify the reliability of some of the design edgy components in the whole structure, it is necessary to perform the corresponding force analysis of the gesture robot, choos

6、e to use the simulation plug-in that comes with SW to analyze the components, and make the corresponding structural optimization according to the analysis results. Keywords:gesture robot;the mechanical structure;3D modeling;finite element analysis目 录1绪论11.1手势机器人的研究意义与目的11.2国内外对手势机器人研究的现状12机器人的组成与工作原

7、理42.1机器人的组成42.2机器人的工作原理53机械结构总体方案设计与动力选择63.1机械结构设计63.1.1设计目标63.1.2本设计应解决的问题63.1.3自由度计算63.1.4设计方案的确定73.2驱动源73.2.1电机选择83.2.2舵机控制原理93.2.3舵机性能参数103.2.4舵机选型103.3总体设计124机械结构的设计144.1机器人的底座组件设计144.2机器人的手臂设计144.3机器人手腕与手部设计144.4手势机器人零件图164.5手势机器人的装配图185机械零件三维建模195.1机械零件的建模195.2机械零件三维造型图216运动仿真246.1正运动分析246.1.

8、1D-H参数法246.2MATLAB建模266.2.1Matlab robotics toolbox介绍266.2.2Matlab程序287有限元分析297.1SolidWorks simulation简介297.2零件结构的静力学分析307.2.1底座结构的静力学分析307.2.2下臂部结构的静力学分析36总结40参考文献41谢辞421 绪论1.1 手势机器人的研究意义与目的机器人技术作为20世纪新型高新技术，是多种学科交汇的最新研究成果的集大成者，这意味着机电一体化成就在不断更新，是当代科学技术发展最有生命力的领域之一。20世纪中期,当时电子技术也有了不断地突破和悠久的发展，由于此时数字计

9、算机已经被发明投入使用,在工业领域愈发扎实的零部件加工技术和机器人控制原理发展日益完善，基于计算机控制以及可编程的数控机床等数字化装备的高速发展促使了新型现代机器人的诞生。同时日益增长的经济需求, 存在一些恶劣不良的工作环境，因此人类需要创造开发一种自动机械装备替代人们去工作，促使能在生产质量落后的地方能连续长久地作业。正是在这个背景下，机器人技术的研究和应用才急速发展。机械手臂是一种新型融合高科技的自动生产设备，于近几十年迅速发展起来。机械臂的应用越来越广泛，具有足够的能力在工作的正确性和特定环境中完成工作，在结构和性能上兼备人和机的各种优点。机械手的应用场景多数集中于工业、制造业。仿生机械

10、手臂的出现，使得机械手能更精确，稳定地抓取物体，操作人员更容易控制机器人完成复杂的任务。但是机器人的操作方式比较单调。现在的操作方式基本上是通过教育仪器、控制接口、触摸屏来完成的。人与机器人的交流不自然，不直接,耗费大量人工。为此，需要改善了人机交互，防止人员出现事故,进而减少人员伤亡，还可发展应用于医疗行业，作为一种战略性的高新技术，机器人已成为未来制造的基础必需装备。1.2 国内外对手势机器人研究的现状工业机器人的发展历程并不长，但确它在人类文明发展中却是地位超然。在1958年，约瑟夫恩格尔伯格这位被业界称作“工业机器人之父”的伟人，创立了世界上第一家机器人公司unimentation，不

11、仅如此，他一并参与了第一个unimate机器人的设计一个不需人工便可可以自动完成搬运作业的机械手臂，如图1.1所示。表1.1为工业机器人的发展历程，经过理论，技术，工业三方面的迅速发展，工业机器人如今已经成为工业自动化生产中重要的一部分，各种机器人已广泛应用于工业、农业、科研、教育以及人们的生活等诸多领域。就目前而言，发达国家普遍具有工业机器人高起点的特性，具有很深厚的学术研究和技术经验积累，其中包括核心零部件的核心技术，在过去数十年，工业机器人技术和市场是欧美发达国家掌握的，而中国还在缓慢发展。在众多负有盛名的生产工业机器人的企业中，主要分布在日本和欧美，例如德国，瑞士等重工业发达的国家，图

12、1.2为各国企业工业机器人代表。相比于欧美等国，中国的机器人研究工作起步晚了数十年，且在相关领域研究较少，核心技术未能完全掌握，受到当其时经济体制和市场环境等因素的影响，在那期间的发展较为缓慢。由于得到国家先后相关政策的建立和支持，如七五机器人技术研究、十三五计划等政策，经过多年的技术追赶，中国机器人技术在其后迅速发展，我国市场已逐渐完备，也形成了许多优秀的机器人企业。工业机器人发展至今已有接近70年，随着技术攻关突破，它已成为发展成熟且较为完备的一项技术。向着组件化，协作同步化，网络互联化，集成化方向发展，数字化智能装备制造业的迅猛发展，这已经成为工业机器人技术发展的趋势，随着产业转型升级，

13、意味各界对工业机器人的功能要求也越来越深入。“人机共融、人机交互”将是下一代工业机器人的重要研究方向。手势机器人正是在于20 世纪 90 年代发展起来的集成多个学科多种技术的高新技术产物，是普通工业机器人的延伸。手势机器人可以通过利用手势交互的方法解决目前智能程度低，机器人友好性低的交互问题实现，将人机交互系统的应用环境拓展到了真实的户外环境。 图1.1 Unimate机器人 图1.2 各国企业工业机器人代表表1.1工业机器人的发展历程年份领域事件1955理论Denavit和Harttenberg发展了齐次变换1958工业“工业机器人之父”JosephF.EngelBerger创建了世界上第一

14、个机器人公司Unimation公司1961工业美国专利2998237,George devol的“编程技术”“传输”(基于Unimate机器人)1961工业第一台Unimatr机器人安装，用于压铸1961技术有传感器的机械手MH-1由Ernst在麻省理工学院发明1961工业Versatran圆柱坐标机器人商业化1965理论L.G.Roberts将齐次变换矩阵应用于机器人1965技术MIT的Robort演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单单积木的机器人系统1967理论日本成立了人工手研究会，同年召开了日本首届机器人学术会1968技术斯坦福研究院发明带礼觉的、由计算机控制的行走机器人Sh

15、akey1969技术V.C Sheinman及其助手发明斯坦福机器臂1970理论在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议*1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及1970技术ETI公司发明带视觉的自适应机器人1971工业日本工业机器人协会(JIRA)成立1972理论R.P.Paul 用D-H矩阵计算轨迹1972理论D.E Whitney发明操作机的协调控制方式1973工业辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，由液压驱动的，能提升的有效负载达45Kg1975工业美国机器人研究会成立1975工业Unimation 公司成立1976工业在斯坦福研究院完成用机

16、器人的编程装配1978技术C.Rose及其同事成立了机器人智能公司，生产出第一个商业视觉系统1980工业随后工业机器人真正在日本普及，故称为该年为“机器人元年”。，工业机器人在JAPAN得到了巨大发展，日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称1983工业日本成立机器人学会1985技术FANUC和GMF公司又先后推出交流伺候驱动的工业机器人产品1987工业国际机器人联盟（IFR）成立2013工业德国政府推出“工业4.0战略”、 美国制定从互联网到机器人美国机器人路线图2014-2015工业韩国提出智能机器人基本计划（20142018）、日本发布机器人新战略2016工业中国发布机器人产业发展规划（2

17、0162020年）422 机器人的组成与工作原理2.1 机器人的组成1. 控制系统控制系统是根据编程在控制板的指令程序，通过控制机械手每个自由度的电机从而来对机器人的各个构件进行控制，而使其做出特定的动作，同时接收传感器反答馈的信息，形成稳定的闭环控制，图2.1所示为机器人控制部分组成。机械手总成内传感器驱动器系统支撑软件末端操作器传动机构机械手机构控制器硬件系统支撑软件机器人语言运动学软件算法控制软件功能软件环境及任务外传感器示教盒人图2.1 控制系统组成图2. 驱动系统驱动系统的选择需要结合机器人的使用要求和工作环境，选择不同的动力介质来驱动机构运动的转动装置，总体可分成三种类型的驱动系统

18、。3. 机械结构系统一般机器人的机械结构有三部分：（1） 基座：基座对整个机构其支撑作用。（2） 手臂部分：手臂部分一般的机器人包括大臂、小臂和手腕三部分，是机构的核心部分。（3） 末端手部操作器：机器人的末端通常可以是具有一定指数、可夹持物体的手部，也可以是专用的作业器件，如焊接工具等。末端操作器一般直接连接在手腕，是机器人机构中非常的一个重要部件。2.2 机器人的工作原理机器人工作原理如图2.2所示控制系统驱动系统机械结构系统基座手臂部分末端手部操作器图 2.2 机器人的工作原理框图通过在单片机内烧入的特定程序控制下，驱动装置接收脉冲信号从而使机器人的各个相应关节按规定角度转动，使机器人结

19、构按照指定的运动轨迹工作。3 机械结构总体方案设计与动力选择3.1 机械结构设计3.1.1 设计目标根据手势控制机器人运动的特点、结构简单灵活且满足工作任务，设计出一个4自由度的关节型机器人的机械结构。优化并完善其结构设计，使其能通过特定程序控制驱动装置的角度的运转来带动臂部的角度摆动、腕部旋转以及手部的抓放功能。3.1.2 本设计应解决的问题1. 整理优化机械结构，实现机器人摆动臂部，手部进行抓取和夹紧的功能。2. 强化整体结构的稳定性，防止机器人在运行时产生晃动，避免因驱动装置力矩不足而导致臂部下坠。3.1.3 自由度计算自由度是确定由于机器人在空间运动时具有多少独立坐标轴数的参数，本次设

20、计的机器人采用的是空间自由度计算公式，来确定自由度的个数。前苏联科学家托波洛弗尔斯基根据约束理论，建立了一个统一的平面、空间机构单封闭环自由度公式4：(式3.1)经过简化公式，可以采用新的计算公式来分析计算：W=Px-3N (式3.2)根据要求可知，PX=4，=0，因不构成封闭环，故N= 0。因此W=4-0-30(式3.3)即为自由度为4的机器人。3.1.4 设计方案的确定设计方案需满足设计的要求，选取什么方案首先明确要符合要求能实现基本功能，若结构过于简单的，容易断裂，夹紧装置采用连杆机构，容易产生死点问题，因此第一步优化重心位置，提高了稳定性，手部的夹紧装置可以采用齿轮带动连杆运动，能够保

21、证运动，而且夹紧结构优于连杆结构。臂部和腕部连接与加工方式也较为简单，成本也相对较实惠，相对符合本课题设计内容的要求。3.2 驱动源驱动机械系统动作的驱动装置可根据驱动源的区别分为液压驱动、气压驱动和电气驱动三种。这一部分的功能相当于驱动骨骼工作的人体肌肉的功能。表3.1所示为各种驱动方式及其优缺点：表3.1 三种驱动方式的优缺点驱动方式优缺点电气驱动1. 电气驱动具有精确度高的特点，便于调速，但缺点在于推力较小，若想增大推力，耗费成本较高。2. 有的通过谐波减速器减速后驱动机构运动，其结构简单紧凑。液压驱动1. 液压驱动负载能力大，适用于要求运行平稳的搬运重型货物和零件加工的机器人。2. 但

22、液压驱动存在管道复杂、清洁困难等缺点，因此限制了在装配作业中的应用。3. 容易会发生漏油或者温度过高引发爆炸的事故，具有较大危险性气压驱动1. 气压驱动机器人结构简单、动作迅速、价格低廉，但由于空气具有可压缩性，其工作速度的稳定性较差。2. 空气的可压缩性可使手爪在抓取或卡紧物体时的顺应性提高，防止受力过大而造成被抓物体或手爪本身的破坏。气压系统的压力一般为0.7MPa，因而抓取力小，只有几十牛到几百牛的大小。3. 需要考虑气密性的问题还有排气会造成噪声污染三种方式采用不同的驱动需要进行相应的可行性分析。关节型机器人多数采用电机驱动，综合以上有优缺点，而电气驱动又相对安全，而且便于控制灵活且不

23、容易产生噪音。采用电气驱动方式最适合课题设计，并选择电机作为驱动源。3.2.1 电机选择电动机分类如图3.1所示：电动机直流电动机交流电动机无刷直流电动机有刷直流电动机永磁直流电动机电磁直流电动机图 3.1 电动机分类本设计选择永磁直流电动机作为驱动源，因为价格相对其他电机较为便宜，控制起来也较方便，便于课题研究。综合考虑本项目成本及设计要求，选择舵机作为驱动源。舵机通常又被称为伺服电机，它带有输出轴，而且体积小，是一种小型驱动装置，响应快速且能较为精准地定位，符合课题所需。在人们日常生活中机器人、遥控汽车、航模等领域，舵机已经是机电产品不可缺少的重要成分。市场上所使用的舵机内部装置零件大致组

24、成有控制电路，电机，一组齿轮，电位器和外壳等，如图3.2所示。图 3.2 舵机结构组成图3.2.2 舵机控制原理舵机内部的具有的控制电路，电位器（即可变电阻器）和电机都连接在控制电路板上，控制电路可以通过电位器监测伺服电机的电流角度监控导出当前的角度。当舵机接收到由控制程序发出的控制脉冲信号时，输出轴会根据程序所发出特定的信号做出相应角度的转动，若输出轴转动后所处的位置与控制脉冲信号发出的相同，那么电机就会自动关闭，并且只要保持控制信号持续不变，舵机输出轴的角度位置会一直保持着，若角度不符合控制电路所要求的，控制电路自动纠正错误的转向，直至它达到指定的角度,在控制电路接收到下一个信号，即控制信

25、号产生变化，输出轴的位置才会相应产生改变。 舵机控制角度有很多种，这是根据制造商来确定的。角度为180的舵机，表示其转动范围大于0小于180，由于主输出装置上带有限位装置，因此若程序要求小于0或大于180，机械结构是不再发生转动。舵机工作流程如图3.3所示。图 3.3 舵机工作原理图3.2.3 舵机性能参数选择舵机型号主要参照扭矩、转速、电压、重量、尺寸和材质等参数来选取。舵机的性能参数介绍如下表3.2所示：表 3.2 舵机的主要性能参数表3.2.4 舵机选型舵机的工作角度主要分90度、180度和连续360度摆臂。本次设计由于机器人手臂关节的旋转摆动均约为180度，故而选用180度舵机。舵机的

26、选择需要在得出机器人关节摆动所需扭矩和速度，并确定使用电压的条件下，选择有150%左右扭矩富余的舵机。本次课题选用辉盛MG955舵机和SG90舵机。辉盛MG995舵机如图3.4，参数如表3.3所示：表3.3 MG995舵机参数性能参数数据重量55g尺寸40.7*19.7*42.9mm工作电压3.0V-7.26V扭矩13kgcm运行速度0.17ces/60存储温度-30-60无作用区宽度4us图 3.4 辉盛MG995舵机SG90舵机如图3.5，参数如表3.4所示：图3.5 SG90舵机表3.4 SG90舵机参数性能参数数据重量10g尺寸23*12.3*29mm工作电压4.2V-6V扭矩1.5k

27、g.cm运行速度0.3ces/60存储温度0-55带宽10us3.3 总体设计机器人的结构是主要由连杆和运动关节组成的，根据机器手臂仿人类手臂结构，将其臂部分为两段，分别是下臂部、上臂部，腕部及手爪构成的抓取装置。机器人在底座上共设计有三节连杆。第一节的连杆为下臂部可以相对于底座转动，即下臂部与底座连接的旋转关节定为关节1；第二节相对于第一节的连轴处转动，即上臂部下端与下臂部上端连接处的关节定为关节2；第三节是相对于第二节的连轴处旋转，上臂部上端与手腕连接处的关节定为关节3；第四节相对于第三节的连轴处，则手腕处的旋转关节定为关节4；第四关节末端为手部夹持工作部件。图3.4所示的是手势机器人的总

28、体设计框架，其4个关节相对各自坐标，各司其职，通过程序发送信号控制舵机按规定转向，以控制各关节的旋转角度来控制机器人的进行空间运动，实现抓取动作，若机器人要定位工件，则需要几个关节相互配合，做出相对应的动作。图 3.4 手势机器人总体设计外形4 机械结构的设计4.1 机器人的底座组件设计本次设计的底座，参考多中关节型机器人的机构后，选择采用双层圆盘的设计，这样的结构使整个机构更加稳固。4.2 机器人的手臂设计手势机器人的臂部主要可以实现在左右方向的摆动，驱动装置为舵机1，舵机输出轴在下臂部与底座的连接处中心这样可以确保整个臂部及与其连接的结构可一起左右摆动。下臂与上臂连接处同样安置舵机2，输出

29、轴位于中心，下臂可相对底座转动，上臂可相对与上臂连接处转动。为了方便便舵机引线等接线的安置，在臂部的两侧设有镂空的设计。4.3 机器人手腕与手部设计手腕与上臂连接处安置舵机3，使手腕及手部可以左右摆动，带动手部旋转的舵机4会与舵机3重叠，因此需设置一个固定架固定两个舵机的位置。手腕下方与机器人的指爪连接在一起，由齿轮啮合带动连杆运动，带动手指开合。关于齿轮的设计如下：选择齿轮的材料为40MnB调质，齿面硬度为241286HBS，相应的疲劳强度取值为H lim=760MPa，FE=580MPa，取SH=1，SF=1.25。 (式4.1) (式4.2)取载荷系数K=1，齿宽系数d=0.8，齿轮上的

30、转矩 T=9550Pn=1.08104Nmm (式4.3)取ZE=188.9，u=1，K=1 (式4.4)=2.32311.081040.81+11188.9760227.5mm 齿数取z=22，模数 m=dz=27.522=1.25mm (式4.5) 齿宽 b=dd=0.827.5=22mm (式4.6)中心距 a=d22=27.5mm (式4.7)齿形系数YFa=3.5，YSa=1.49 F=2KTYFaYSabm2z=211.081043.51.49221.25222=148.95MPa (式4.8)FF因此齿轮的强度满足要求。如表4.1所示为得出齿轮的参数：表 4.1 齿轮参数表参数数

31、值压力角20齿顶高haha=1.5mm分度圆直径dd= m* z=27.5mm齿顶圆直径dada= d+ ha* 2=30.5mm齿根圆直径dfdf= dd=22mm齿距pp= m* pi=3.927mm根据表4.1可构建出如图4.2所示的齿轮零件。图4.2 齿轮零件4.4 手势机器人零件图手势机器人的下臂部、腕部和手部装置的齿轮零件图如图4.3、4.4、4.5所示。图4.3 下臂零件图图4.4腕部零件图图4.5 齿轮零件图4.5 手势机器人的装配图手势机器人的装配图如图4.6所示。图4.6 手势机器人装配图5 机械零件三维建模5.1 机械零件的建模零件的结构反映了整个机构的稳定性，是整个设计

32、的关键部分，它直接决定了机器人各部分能否良好的协同工作和稳定工作，因此，零件结构设计是整个设计过程中必不可少的一部分。现以下臂部零件设计为例，采用SolidWorks进行三维建模，大概步骤如下：1. 新建文件：打开SolidWorks2018，单击选项选择新建或者使用键盘Ctrl+ N也可以新建零件图，出现如图5.1所示的对话框，选择第一个命令，单一设计零部件，点击确定，即进入到绘制图形的界面。 图 5.1三种新建文件 图 5.2 选择基准面2. 进入草图界面后出现如图5.2所示的界面，在左侧三种基准面中选择【前视基准面】。3. 点击控制命令区的【直线】按钮，画出所需要尺寸图形，左侧界面会出现

33、如图5.3所示的界面，这里的参数根据所设计图形的实际大小确定，直线命令有长度和角度两种种参数可以修改，选择在长度中输入设计要求的数值大小，单击上方绿色的确定按钮或者直接按回车键即可确定尺寸。在图形区绘制如图5.4所示的图形。 图 5.3 尺寸标注 图 5.4 草图4. 单击【绘制圆角】，左侧给定圆角参数，如图5.5，即可得出所需圆角。使用【圆】命令，同样设定半径尺寸，重复操作，画出如图5.6的草图。图5.5 圆角尺寸标注 图5.6 草图5. 选择最上方任务栏的插入，选择第一个凸台/基体中的拉伸进入拉伸命令，图5.7左图为左侧界面出现的数值控制框，对话框中第一个为【草图基准面】选择拉伸的基准面，

34、【两侧对称】表示拉伸方式对称拉伸出实体，修改参数拉伸总长度为5.00mm，单击确定按钮，即可出现图5.7右图所示的图形。 图 5.7 拉伸图形（左图为控制区，右图为拉伸后实体）6. 在工具栏-插入-阵列/镜像中选择镜像，建立基准面1，此命令可复制相同的图形，图5.8为命令区，设定好后得到如图5.9的图形 图 5.8 命令区 图5.9镜像后实体 7. 然后在图5.9的图形上继续绘制草图，通过拉伸，切除和命令，最后建立出如图5.10所示的模型，至此完成了整个下臂部零部件模型的建立。图5.10 完成实体建模5.2 机械零件三维造型图图5.11、图5.12、图5.13、图5.14、图5.15、图5.1

35、6、图5.17、图5.18分别为固定架、底座、后连杆、前连杆、上臂、手腕支架、下臂、手指的三维造型图。图5.11固定架三维图图5.12底座三维图图5.13后连杆三维图图5.14前连杆三维图图5.15下臂三维图图5.16手腕支架三维图图5.17上臂三维图图5.18 手指三维图6 运动仿真6.1 正运动分析机器人运动学包含运动学正、逆解两个分析。正运动学讨论的是已知机器人各个关节变量等参数来求末端执行器在相对参考坐标系下的位姿。本课题讨论机器人的正运动分析。6.1.1 D-H参数法1955年， Denavit和Hartenberg提出在机器人每一相连的关节的连杆上建立坐标轴，通过计算齐次变换矩阵的

36、方法描述两杆的空间关系，即D-H参数法。运用这种方法定义了每个坐标轴，并对连杆和关节定义了四个参数。1. 建立关节、连杆的坐标系建立连杆的坐标轴如图6.1所示：图 6.1 连杆坐标系描述（1） 坐标轴Zi是沿着关节轴i+1重合的运动轴；（2） 坐标系的原点位于连杆长度a 与关节轴线i的交点处；（3） 坐标系i的Xi 轴的指向为Zi-1的反方向，指向连杆i+1；（4） Yi满足XiYiZi构成的右手直角坐标系来建立。表6.1所示为建立连杆坐标系的得出的参数：表6.1 连杆参数及含义参数名定义连杆长度a沿着Xi-1轴，从Zi-1移动到Zi的间距距离连杆扭角绕着Xi-1轴，从Zi-1旋转到Zi的转角

37、大小连杆距离d沿着Zi轴，从Xi-1移动到Xi的间距距离连杆转角绕着Zi轴，从Xi-1旋转到Xi的转角大小2. 确定各连杆的D-H参数通过计算出机器人的参数，如表6.2所示：表 6.2 4自由度机器人D-H参数连杆da =19000145.5 =29000114.5 =3900026.57 =4009003. 求各连杆之间的位姿矩阵T根据表6.2所示D-H参数和齐次变换矩阵可求得T，T= Rot(z,) Trans(0,0,d) Trans( a,0,0) Rot(x,)(式6.1)4. 求机械手的运动方程T50=T1 T2 T3 T4 T5= (式6.2)6.2 MATLAB建模6.2.1

38、Matlab robotics toolbox介绍使用Matlab robotics toolbox进行仿真，机器人工具箱的一系列计算插件，能帮助使用者对机器人进行所需的计算和仿真，这个工具箱的开发使得工业机器人的设计和研究开发非常方便。下面介绍robotics toolbox插件安装方法:1. MATLAB安装成功后，解压机器人工具箱压缩包到当前目录，复制粘贴到MATLAB安装目录下的工具箱文件夹toolbox中，里面包括许多matlab插件。2. 双击图标启动MATLAB,在界面右上单击菜单栏的设置路径，如图5.2所示。图5.2 MATLAB界面3.点击添加文件夹，将解压的文件全部选择，添

39、加后，右边搜索路径框下出现如图5.3目录，点击保存，关闭对话框。图5.3 添加文件4.安装插件与查看安装结果可以回到原界面的命令窗口使用startup_rvc和 ver两个命令，可以安装并查看到安装结果，看见如图5.4内容即表示安装成功。图5.4 插件安装成功6.2.2 Matlab程序通常一个机器人具有两种运动关节：移动关节和旋转关节。在Matlab程序中使用Link和SerialLink函数来表示，这是创建机器人仿真的两个重要函数。计算机器人位姿需要获得每个关节变量，theta、d 、a和，standard的意思是采用的是标准D-H参数建模法，即本次仿真选择采用标准D-H建模方法。fkin

40、e是机器人的前向运动学求解的函数，ikine则是逆向运动学求解的函数。以下是MATLAB的程序：% theta d a alpha offsetSL1=Link(0 0.08778 0 pi/2 0,standard);SL2=Link(pi/2 0 0.1455 0 0,standard);SL3=Link(0 0 0.1145 0 0,standard);SL4=Link(0 0 0.02657 pi/2 0,standard);starobot=SerialLink(SL1 SL2 SL3 SL4 ,name,standard);figure(1),teach(starobot);图6.

41、2所示为求解后的仿真滑块图。图 6.2 4自由度机器人滑块控制图7 有限元分析7.1 SolidWorks simulation简介SolidWorks Simulation是SW自有的初步应力分析工具，足以满足部分Solidworks使用者的需要，具有能分析单实体零件进行静态分析。下面介绍SolidWorks simulation的启用方法：1. 启动SolidWorks2018点击任务栏中的soildworks插件-SolidWorks Simulation，如图7.1所示。图7.1 启动simulation2.右方出现Simulation按键，点击后右上角出现新算例的按键，如图7.2所示

42、，单击创建新算例，左侧界面出现如图7.3所示的选项，只需选择静应力分析，不需改动，点击确定按钮。 图7.2 创建新算例 图7.3 选择静应力分析3. 创建新算例成功后任务栏出现如图7.4所示的选项，即可开始进行分析。图7.4 算例创建成功4. 在Soildworks中打开需要分析的零件，有四个步骤需要设置。第一步是选择应用材料，这是对分析的零件设置材料属性，不同材质的机械性能和力学性能不同，致使零件在受力时会发生不同的形变；第二步是设置夹具顾问，这一步是为了使零件固定；第三步是设置外部载荷顾问，即是设置零件受力位置和受力大小，第四步是零件网格化，这一步是零件均匀划分成有限个细小的相同的单元格，最后运行，即可得出零件受力的变化。7.2 零件结构的静力学分析许多零件在使用过程中因受力产生耗损、形变，到达一定值会发生疲劳破坏导致零件失效，因此对设计出来的零部件进行有限元分析很有必要。一个零件结构和选定材料在实际操作中承受住各种力矩和力的作用还能保持原有形态而不产生形变，通过求出的关节结构形变量最大值和受力最大值时的姿态，验证出由此零件组成的结构是否合理和功能能否满足要求。该环节需要来对零部件的结构和选择的材料进行静力学分析，来检验设计的零部件是否需要继续优化直至能满足课题要求。7.2.1 底