摘 要

工业机器人的出现及应用，极大地改变了我们的生活，对传统制造业产生了一定的冲击。机器人和自动化技术在多数情况下可以提高生产率、安全性、效率、产品质量和产品的一致性。本文所研究的装配机器手是机器人在工业应用中的一种，而且通过气电组合可以实现更精确的控制。

机器人运动学是机器人学领域的一个重要组成部分，是研究机器人动力学、轨迹规划以及控制的重要基础。本文以FESTO公司的一款机器人为例，建立了各连杆的坐标系，然后根据齐次坐标变换和矩阵理论，运用 D-H参数法研究了该机器人的正向运动学问题，并建立了机器人的运动学模型；在此基础上又研究了其逆向运动学问题，并构造了该机器人的雅可比矩阵。

此外，本文还对该装配机器手进行了动力学分析，以拉格朗日-欧拉方程为基础，建立了该机器手的动力学方程。

最后还利用PLC来控制整个机器手系统的协同运动，给出了整个运动周期的PLC语句表。整个机器手的运动周期限定在5s内，实现了高速动作。

关键词：装配、机器人、运动学、动力学、控制

Abstract

The emergence and application of industrial robots has greatly changed our life and have had a certain impact on traditional manufacturing industries. In most cases, the technology of robotics and automation can improve the productivity, safety, efficiency, product quality and consistency of product. The assembly robot studied in the paper is a kind of robots applied in the industries. And that can achieve more precise control with the combination of gas and electricity.

Kinematics is an important part in the fields of robotics and it is the basic to study the dynamics, trajectory planning and control of robotics, which include the direct and inverse kinematics problems. In the paper, for the example of a kind of robots of FESTO, i establish every link coordinate system. Then i study the direct kinematics problem by the way of D-H parameter with the base on homogeneous transformation and matrix theory and i establish the kinematics model of the robot. Then i study the inverse kinematics problem and establish the Jacobian matrix of the robot.

In addition, I also study the dynamics of the assembly robot with the Lagrange-Euler equations. Then I establish the dynamics equations of the robot.

Finally, I achieve the coordinate movement of the whole robot system by PLC, and give the PLC statement stable of the whole motion cycle. Besides, I restrict the movement cycle of the robot in 5 second to achieve its high-speed operation.

Keywords：assembly、robot、kinematics、dynamics、control.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 装配机器手的国内外发展现状 1

1.3 设计目的、内容及意义 2

1.3.1 设计目的 2

1.3.2 设计内容 2

1.3.3 设计意义 2

第二章 装配机器手的工况分析及方案设定 3

2.1 装配机器手的工况分析及运行要求 3

2.2 机器手的坐标型式及自由度 3

2.3机器手的末端执行器结构方案 3

2.3.1 气动手爪的方案确定 4

2.3.2 真空吸盘的方案确定 5

2.4 机器手末端气动摆缸的方案确定 7

2.5 机器手手腕气缸的方案确定 10

2.6 机器手小臂电驱动器的方案确定 12

2.7 机器手大臂电驱动器的方案确定 13

2.8 机器手基座电动摆缸的方案确定 14

2.9 机器手的控制方案的确定 15

第三章 装配机器手的运动学及动力学分析 17

3.1 机器手的位姿分析 17

3.2 机器手的运动学方程 18

3.3 机器手的运动学方程的求解 20

3.3.1 求关节角和关节距离 20

3.3.2 求关节转角 21

3.3.3 求关节距离和关节距离 21

3.4 雅可比矩阵 22

3.4.1 雅可比矩阵的求法 22

3.4.2 雅可比矩阵的求解计算 23

3.5 装配机器手的动力学方程 24

第四章 装配机器手的电气系统设计 28

4.1 机器手小臂的设计计算及选型 28

4.2机器手大臂往复部分的设计计算及选型 28

4.3 机器手大臂旋转部分的设计计算及选型 29

第五章 装配机器手的控制系统设计 31

5.1 机器手的动作分析 31

5.2 机器手的X-D线图设计 31

5.3 中间继电器数目的确定 32

5.4 可编程控制器PLC控制系统设计 33

5.4.1 可编程序控制器概述 33

5.4.2 可编程序控制器的工作原理 33

5.4.3 可编程序控制器的选择 33

5.4.4 PLC控制系统设计 34

第六章 装配机器手的经济性分析 38

第七章 总结与展望 39

第一章 绪论

1.1 课题来源

本次的课题为气电组合高速拾放四自由度装配机器手的设计，该装配机器手是基于PLC控制，气电组合驱动，要求位置精度为±0.1，最大夹持工件质量为0.2，整个工作周期不超过5s。

装配机器人在现代生产加工制造中都是不可或缺的。装配机器人在工作时，其末端所操作的工件与实际环境相互接触，产生力/力矩^[1]。种种现象表明，在现代化生产中，将越来越多地通过机器人来实现自动装配^[2]。装配机器人将在未来发展扮演着十分重要的地位，在某种程度上会对社会发展产生深远的影响。

有商业竞争力的工业制造旨在令生产过程同时具备高产量、高品质和低成本等多个优点，而工业机器人被认为是这个领域的中流砥柱^[3]。而装配机器人在工业机器人中也扮演着重要的角色，从最开始便在汽车领域占据了主导地位。而本次所设计的装配机器手具有精度高、速度快等特点，在现代生产中具有十分重要的意义。

1.2 装配机器手的国内外发展现状

自从进入21 世纪, 机器人技术的发展在国内外越来越受到重视。机器人技术被认为是对未来工业进步十分重要的高新技术之一^[4]。

在国外，欧盟在第七框架计划 (FP7) 中规划了 “认知系统与机器人技术” 研究、美国启动了 “美国国家机器人计划”、日本、韩国在服务型机器人方面也制定了相应的研究计划。

在国内，机器人的发展起步相对较晚，应用范围相对较小。为了能更好地提高效率，国家在“863”计划中、国家自然科学基金等一些比较重大的规划中，给予了装配机器人足够的重视，在某种程度上鼓励了装配机器手的发展。

装配机器人的应用，在很大程度上解放了劳动力，将人类从枯燥的作业中释放出来。装配机器人研究的运动学标定、运动规划、控制等已有成熟的控制方案^[5]。

装配机器人也将结合位置、力矩、视觉等信息反馈机制，柔顺控制、力位混合控制、等各种控制方法进行大量的研究，以适应高速、高精度、智能化作业的需求^[5]。

我国在谐波减速器、高效电机的制造领域都有了一定的突破。目前已经研制出了交、直流伺服电机及其驱动系统、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、薄壁轴承等^[6]。

而从国外的角度来讲，美国、日本以及欧洲这些国家或者地区在机器人领域均处于世界较高水平。就目前来说，美国在机器人领域的技术开发方面仍保持领先地位。

1.3 设计目的、内容及意义

1.3.1 设计目的

由于在现代生产加工和制造领域，装配机器人具有十分重要的地位，通过使用机器人来执行自动装配，能够有效提高装配速度、装配效率，在一定程度上实现装配作业的高精度、高质量要求。

本课题高度契合现代生产加工制造迫切需求，能够对解决生产中占据重要地位的装配问题，提高生产效率、装配质量做出一定的贡献。

1.3.2 设计内容

(1) 建立该气电组合高速拾放四自由度装配机器手建立运动学方程；

(2) 推导该气电组合高速拾放四自由度装配机器手的动力学方程；

(3) 设计该气电组合告诉拾放四自由度装配机器手的各关节机构，选择驱动方式；

(4) 分析整个装配机器手的工作顺序，绘制出X-D线图，并设计整个机器手的PLC控制部分。

1.3.3 设计意义

装配是生产产品的后续工序，装配机器人用于装配生产线上对零部件进行装配，在现代生产加工和制造中具有非常重要的地位。用机器人来实现自动化装配作业，是现代化生产中一个十分重要的发展方向。通过机器人的自动化装配，可以有效保证装配质量，可在大批量生产中提高生产效率。

本次所设计的气电组合高速拾放四自由度装配机器手，基于气、电驱动、PLC控制，能够实现多点定位，位置精度控制为±0.1，具有高精度、高度运动的特点，能够有效满足现代生产的需求，具有相当广阔的应用前景。

第二章 装配机器手的工况分析及方案设定

2.1 装配机器手的工况分析及运行要求

本次所设计的气电组合高速拾放四自由度装配机器手，是基于气、电驱动、PLC控制，要求位置精度为±0.1，一个完整的工件拾放工作周期在5内完成，最大夹持工件质量为0.2 。大臂旋转角度范围为±30°，由电动摆缸驱动；大臂横向运动范围为0～200，小臂纵向运动范围为0～800，均有线性线驱动器驱动；手腕部分旋转角度±30°，末端驱动摆台用于切换三爪气动手指和真空吸盘，定位转动0°和180°，均由气动摆缸驱动；三爪手指用于抓取柱状工件，真空吸盘用于吸取块状工件。

对于所要抓取的柱状工件，直径范围为φ10～13mm，长50mm，质量≤0.2kg；对于所要吸取的块状工件，长度范围20～40mm，宽度范围20～30mm，厚度范围5～10mm，质量≤0.2kg，材料均为铝合金材料，且工件传送和装配工作台台面距离地面均为700 mm。

整个系统采用PLC控制各轴协同运动，当有意外发生，工件抓空或者坠落时，系统能够自动中断运行并报警鸣示，而且整个系统还具有急停、电源保护、残压释放等措施。整个动作过程要实现全自动控制。

2.2 机器手的坐标型式及自由度

本次拟设计的气电组合高速拾放四自由度装配机器手，末端气动摆台用来驱动三爪气动手指和真空吸盘的转换；手腕部分摆动气缸用于保证末端执行机构保持竖直方向，便于抓取或者吸取工件，为转动关节；小臂部分为一线性电驱动器，用来控制手腕及末端执行机构的纵向位置坐标，为一移动关节；大臂横向移动部分也为一线性电驱动器，可带动小臂、手腕及末端执行机构做横向运动，用来控制执行机构的横向坐标，也为一移动关节；大臂旋转部分为一电动摆缸，当工件位置与目标位置不在同一轴线上时，用于旋转来控制执行机构能够到达目标位置，为一转动关节。

综上所述，该装配机器手拥有两个转动关节和两个移动关节，符合圆柱坐标的描述方式，故整个机构采用圆柱坐标型，整个机构为四自由度。

2.3机器手的末端执行器结构方案

末端执行器是机器手用于直接抓取和吸取工件并进行操作的部件，它能够模仿人类手部动作，并安装在机器人手臂的前部。为了使机器手更具有通用性，采用气动摆台来实现气动手爪和真空吸盘的转换，以适应不同形状工件的要求。

2.3.1 气动手爪的方案确定

气动手爪用来抓取工件，其抓取对象为柱状，直径范围为φ10～13mm，长50mm，质量≤0.2kg。气动手爪有两指、三指和四指之分。由于本次设计中手爪需要抓取柱状工件，故两指手爪不能满足安全性要求，三指手爪便可满足要求，故可采用三指手爪。