五自由度串联机器人的分析

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1、项目名称：五自由度机械手（节点五）成员：吴军、庞洪忠课程名称：机器人学指导老师：赵永生、许允斗日期：2011年12月28日目录一、绪论1.1项目背景简介1.2课题主要研究内容二、静力学和刚度分析的课题综述2.1引言2.2静力学和刚度分析基础2.2.1隔离体图和静力平衡条件2.2.2静力平衡方程2.2.2.1构件的静力平衡方程2.2.2.2迭代求解方法2.2.3基于虚功原理的静力学分析2.2.4静刚度分析三、静力学分析3.1引言3.2连杆的受力和力雅克比推导四、刚度和柔度4.1引言4.2连杆的变形小结参考文献第一章绪论1.1项目背景简介我们研究的项目是分析五自

2、由度机械手的静力学和静刚度。求得各关节驱动力与外力之间的关系,并利用运动雅克比矩阵验证其正确性。然后求得五自由度机械手的刚度和柔度矩阵。节点一的同学已经用UG建立了三维实体模型，并实现了各关节的运动学仿真。通过在各关节处建立运动学坐标系，列出了各连杆参数，对五自由度串联机器人进行位置正反解。节点二的同学已经利用D-H建系的结果，用矢量叉积法和微分变换法写出雅可比矩阵方程并求出了结果，并利用二者之I'可的关系对结果进行验证。节点三的同学已经建立了工作空间的和并对机器人进行了奇异位形分析。在此基础上，我们查阅大量的国内外资料，对研究串联机器人的静力学和静刚度的方

3、法有了一定的了解，而且我们要运用以上同学的结果，对机器人进行静力学分析，并验证得到的结果与节点二的结果相同，再得到机器人的刚度和柔度矩阵。与此同时，我们还要继续查阅资料，力求寻找到一种新的方法，用來更简便的方法对机器人进行静力学和静刚度分析。1.2课题主要研究内容(1)大量查阅国内外关于求解项目组所研究的串联机器人的静力学和静刚度的方法，并撰写文献综述；(2)分析机器人机构的静力学，求得各关节驱动力与外力之间的关系，并利用运动雅克比矩阵验证其正确性；(3)分析机器人的静刚度，求得刚度和柔度矩阵;第二章静力学和刚度分析的课题综述2.1引言本章研究串联机器的静力

4、学和刚度。机器工作时，末端执行器必然要对外界施加一定的力和力矩,而这些均由关节来提供。对于串联机器，驱动力通过一个开环运动链传递；对于并联机器，驱动力通过几个并联路径传递到末端执行器。它们的研究方法有一定的不同。机器的静力学是在假设机器不发生运动时，研究各关节和末端执行器所承受的力和力矩之间的关系，包括大小和方向。静力学分析对确定机器各构件和轴承的尺寸，以及确定合适的驱动器是必需的,是机器人柔顺控制(compliancecontrol)的基础。本章中，为简化描述，我们使用关节力和操作力这样的术语来表示关节和终端上的力和力矩。本章首先介绍机器人静力学分析的一些

5、基础知识，包括：构件隔离体图和静力平衡方程，基于不同坐标系下的构件静力平衡方程，基于虚功原理的静力学分析方法。然后又介绍了理想静刚度矩阵和静刚度的有限元分析的方法。2.2静力学和刚度分析基础这一部分主要介绍机器人静力学和刚度分析的一些基础方法和概念，包括，机构的隔离体图，静力平衡方程，基于不同坐标系的构件静力平衡方程，虚功原理，刚度和柔度矩阵。2.2.1隔离体图和静力平衡条件在静力学研究中，建立隔离体S(free-bodydiagram)是一个相当基础且重要的分析手段。它的主要思想是：将机构中的一个零件或部件与其它零部件假想分离，将它作为一个独立的单元进行分

6、析。一个隔离体可以包含一个或多个零件，同一个机构，根据需要可以建立称多个隔离体。图2.1(d)是一个四杆机构，将固定构件称为构件0,构件o°q、和称为构件1、2和3。图2.1(b)屮的隔离体包含3个运动构件，作用于隔离体上的力包括一个驱动力矩和一个外力负载，以及固定构件通过关节o立的单元进行分析。一个隔离体可以包含一个或多个零件，同一个机构，根据需要可以建立多个隔离体。图2.1(a)是一个四杆机构，将固定构件称为构件0,构件qq、002和和。3施加的力和。这里，符号表示构件，施加于构件丿•上的力。图2.1(c)和(d)分别是包含2个和1个运动构件的隔离体图。

7、如果要考察构件的内力，可以将构件假想分割成几个部分，建立隔离体图，如图2.1(e)所示。O1Oo(a)o203O1Ooin3.0(b)o2(CO2(e)图2」平面四杆机构的隔离体图对于一个处于静力平衡的隔离体，所有外力的矢量和应等于0,相对于任意点的所有力矩的矢量和也必须等于0。这个条件称为静力平衡条件，可表示为(2.1)X/=o(2.2)对于平面机构，式(2.1)和(2.2)包含了3个标量方程。对于空间机构，上述方程包含了6个标量方程。求解这些方程就可以获得所有关节上的力和力矩。2.2.2静力平衡方程2.2.2.1构件的静力平衡方程在开坏机构中，每个构件均

8、通过关节与1个或2个其它构件相连接，下面就根据上节介