平面关节型机器人设计、分析与标定技术研究

摘要

近年来，随着自动化技术以及机器人技术的快速发展，机器人被广泛应用于机械、电子、汽车等众多行业。SCARA机器人是一种四轴轻型工业机器人，它具有运动速度快，重复定位精度高的特点，因而被广泛应用于电子装配领域。目前，由于受到零件制造误差和装配误差、齿轮的传动误差等影响，机器人的绝对定位精度较低，制约了其应用的广泛性。
　　根据机器人客户使用要求，确定SCARA机器人的总体方案，通过计算，选择合适的伺服电机、减速器、精密滚珠丝杆滚珠花键等标准零部件，设计出机器人的本体结构。采用D-H参数法描述机器人的连杆参数，建立机器人的数学模型，研究其正运动学方程，并利用代数法求其逆解。
　　利用多体动力学软件Adams进行动力学仿真，运用软件中的STEP5函数模拟工作状况下运动方式，研究SCARA机器人运动学及其动力学模型，获得机器人末端的位移、速度、加速度以及机器人四个关节的力矩曲线，通过对各曲线的分析，验证了机器人电机和减速器选择的合理性。
　　根据有限元理论，利用Ansys-Workbench软件建立正确的有限元模型。通过计算获得了机器人三个重要部件（底座、大臂、小臂）在工作状况下各自的应力、应变及变形总位移的分布图，经过分析，本机器人在工作状况下结构变形较小，强度和刚度较好，验证本体结构的合理性。
　　采用MDH法描述机器人的连杆参数，建立机器人运动学模型，研究了不同坐标系下微分变换矩阵之间的关系，得到了不同坐标系下微分误差的传递公式。基于微分变换原理推导出SCARA机器人末端位姿误差与关节参数误差之间的变换关系，建立机器人的位姿误差模型，通过设计的一组数据，仿真验证了模型的正确性。
　　利用三坐标测量仪作为测量设备搭建实验平台，测量机器人工作空间内的60个点。利用L-M最小二乘法进行误差参数辨识，获得机器人各连杆参数的补偿值。通过标定前与标定后（误差补偿至机器人控制系统后）测量点绝对定位精度的对比分析，验证了所建立的标定误差模型的正确性与实验方案的可行性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机器人结构设计国内外研究现状

1．2．2 机器人标定技术国内外研究现状

1．3 课题主要研究内容

2．1 引言

2．2 机器人总体设计

2．2．1 机器人的基本技术参数

2．2．2 机械传动方案的选择

2．2．3 驱动方式及减速器的选择

2．3 机器人重要零部件的选用

2．3．1 机器人关节电机的选用

2．3．2 机器人关节减速器的选用

2．3．2 机器人精密滚珠丝杠滚珠花键的选用

2．4 机器人的总装图

2．5 本章小结

第三章 SCARA机器人运动学及动力学研究

3．1 引言

3．2 机器人运动学建模

3．3 机器人正运动学

3．4 机器人逆运动学

3．5 MATLAB仿真验证

3．6 SCARA机器人的ADAMS仿真

3．6．1 ADAMS软件

3．6．2 机器人仿真模型的建立

3．6．3 SCARA机器人的运动学仿真

3．6．4 SCARA机器人的动力学仿真

3．7 本章小结

第四章 SCARA机器人的有限元分析

4．1 引言

4．2 ANSYS-Workbench的软件介绍

4．3 有限元法分析的基本步骤

4．4 重要零部件的强度及刚度校核

4．4．1 底座的强度及刚度校核

4．4．2 大臂的强度及刚度校核

4．4．3 小臂的强度及刚度校核

4．5 本章小结

第五章 SCARA机器人标定技术研究

5．1 引言

5．2 机器人位置误差模型

5．2．1 运动参数误差

5．2．2 关节坐标系间的微分变换

5．2．3 关节坐标系间的位姿变换

5．2．4 机器人位姿误差模型

5．2．5 仿真验证实验

5．3 SCARA机器人标定实验

5．3．1 测量仪器简介

5．3．2 运动学标定实验

5．3．3 工具坐标系的标定

5．3．4 机器人基坐标系的构建

5．3．5 末端执行器实际位姿测量

5．4 参数辨识

5．5 误差补偿

5．6 标定前后对比

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利情况

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