一款六关节机械手本体的研发

摘 要

　　目前，在汽车防撞梁焊接过程中，多数企业还是采用人工进行上下料，这种方式效率低下，已经不能满足市场的需求，因此需要改用机械手代替人工进行上下料。机械手上下料有诸多优点：如减少人工成本、提高生产效率和产品质量、保障作业安全等。被抓取的工件防撞梁是由支架和圆管两部分组成，若要实现对防撞梁的上下料抓取动作还存在一些困难。为了克服此难点，本文研发了一种弧面和平面组合式的电磁吸盘，并将两个电磁吸盘对称安装在可调式的连接臂上组成可调式的双电磁吸盘机械手爪；此外，本文还设计了一款六关节机械手本体，将双电磁吸盘机械手爪安装在六关节机械手本体上，组成双电磁吸盘上下料机械手。论文的主要研究工作如下：

　　（1）弧面和平面组合式电磁吸盘结构设计及磁力仿真分析验证和双电磁吸盘机械电磁手爪的设计。该部分先用 Caxa 软件建立组合式电磁吸盘二维结构图；再依照二维结构图的尺寸和结构，用 Solidworks 软件建立组合式电磁吸盘的三维模型，并将两个电磁吸盘对称安装在可调式的连接臂上，组成可调式双电磁吸盘的机械手爪。对组合式电磁吸盘在上下料过程中所需的电磁力大小进行理论分析及在 Maxwell 软件中进行电磁仿真分析。

　　（2）六关节上下料机械手本体结构设计。该部分设计了一款六关节机械手本体，并确定了每个关节电机的安装位置以及每个关节之间传递扭矩的方案。

　　（3）机械手本体的运动学分析。建立机械手连杆坐标系，用解析法、列 D-H参数进行运动学求解；并在 Matlab 软件中编写程序文件，建立 GUI 人机交互界面，验证运动学方程及编程的正确性以及机械手结构的合理性。

　　（4）机械手本体的动力学分析。用拉格朗日法建立机械手动力学方程；并用ADAMS 软件进行动力学仿真分析。通过观察后处理曲线，得出机械手在上下料过程中的末端位移及各个关节的角速度和角加速度曲线和扭矩曲线。分析后处理曲线变化，发现仿真过程没有卡死现象，可以满足预定要求。

　　关键词：组合式电磁吸盘；上下料机械手本体；运动学；动力学

Abstract

　　At present, in the process of automobile anticollision beam welding, most enterprises still use manual loading and unloading, the way is a low efficiency. And this way could not meet the market demand, so a manipulator is needed to replace manual worker. he manipulator has many advantages, such as reducing labor cost, improving production efficiency and product quality, and ensuring operation safety. The grab workpiece anticollision beam is composed of a bracket and a round pipe. It is difficult to grab the material of the anticollision beam. In order to overcome this difficulty, it is designed that a kind of curved surface and flat surface combined electromagnetic chuck, and two electromagnetic suckers are symmetrically installed on the adjustable connecting arm to form an adjustable double electromagnetic chuck mechanical claw. In addition, it is designed that a six-joint manipulator body, the double electromagnetic chuck manipulator claw installed on the six-joint manipulator body, the composition of double electromagnetic chuck loading and unloading manipulator. The main research work of this paper is as follows:

　　（1）Structural design and magnetic simulation analysis of the curved and flat combined electromagnetic chuck and design of the mechanical electromagnetic gripper of the double electromagnetic chuck. In this part, Caxa software is used to establish the two-dimensional structure of the combined electromagnetic chuck. Then according to the size and structure of the two-dimensional structure diagram, the Solidworks software is used to establish the three-dimensional model of the combined electromagnetic sucker, and the two electromagnetic suckers are mounted symmetrically on the adjustable connecting arm to form the adjustable double electromagnetic sucker's mechanical gripper. The electromagnetic force required by the combined electromagnetic chuck in the loading and unloading process was analyzed theoretically and the electromagnetic simulation analysis was carried out in Maxwell software.

　　（2）Body structure design of six-joint loading and unloading manipulator. In this part, a six-joint manipulator body is designed, then, the installation position of each joint motor and the scheme of transferring torque between each joint are determined.

　　（3）Kinematic analysis of the manipulator body. The coordinate system of manipulator connecting rod is established, and the kinematics is solved with analytical method and column D-H parameters. And in Matlab software programming files, the establishment of a GUI human-computer interaction interface, verify the correctness of the kinematics equation and programming as well as the structure of the manipulator is reasonable.

　　（4）Dynamic analysis of the manipulator body. The dynamics equation of manipulator is established by Lagrange method. The dynamic simulation analysis is carried out by ADAMS software. By observing the post-processing curve, the end displacement and angular velocity and acceleration curves and torque curves of each joint of the manipulator in the loading and unloading process are obtained. After analyzing the change of post-processing curve, it is found that the simulation process has no stuck phenomenon and can meet the predetermined requirements.

　　Key words : combined electromagnetic chuck , loading and unloading manipulator body ,kinematics ,dynamics

　　目 录

　　第一章 绪 论

　　1.1 引言

　　随着世界科学技术的快速发展， 不仅机械手技术越来越成熟，而且机械手的应用领域也越来越广泛。自机械手在 20 世纪 60 年代问世以来，机械手技术不断快速发展，日渐成熟。到目前为止，工业机械手技术涉及领域广泛，其中包括：机械、传感器、计算机、控制、人工智能等多个学科和领域[1-2].再者由于各行各业快速发展的需求，不同种类的机械手被开发出来，如服务机械手、仿人形机械手、等各种用途及场合的特种机械手，其中上下料机械手作为工业机械手的一种类型，以飞快的速度普及。

　　1.2 选题背景

　　在 20 世纪 20 年代初，卡雷尔·查培最先提出 Robot 一词，其本意是用机器的功能实现的人造苦力。由于社会的快速发展，生产力的不断提高，人类社会的发展需要等诸多因素，使得机械手自诞生以来快速发展并广泛应用于机械加工、汽车制造、电子、军事等领域[3].

　　一般工业机械手的结构组成部分为操作机、驱动元、控制装置和外围设备。

　　目前，上下料机械手作为工业机械手的一种类型，已经发展成为具备柔性的自动化生产设备，其性能得到很大提高，其价格和成本也不断降低。现如今，将上下料机械手与数控机床组合在一起形成一个自动加工系统，能够实现工件的自动上料、下料、装夹、加工等所有工艺流程，极大的降低了人工成本，提高了效率。

　　1.3 工业机械手国内外发展状况

　　1.3.1 工业机械手国外发展状况

　　国外工业机械手可以从销量和技术两个方面概括如下：

　　在工业机械手销量方面，国际机械手联合会（IFR）的报告显示：自 2009年以来，全球工业机械手年销量逐年增长。2017 年的销量比 2016 年的销量增长了 18%,约为 34.6 万台。从 2016 年的工业机械手的销量数据上看，中国工业机械手年销量约 8.7 万台，达到最大，是排名第二韩国的两倍多。在 2016 年，美国、韩国、日本、德国、和中国工业机械手的销量占了全球工业机械手的总量的 74%.

　　在 20 世纪 70 年代，德国开始将对机械手的研究重点放在工业方面，将研发的机械手应用在大中型重物的搬运以及上下料过程方面。日本的工业机械手大多数应用在汽车生产方面，这使得日本汽车工业的自动化和现代化程度大大提高了。在 20 世纪 60 年代初，前苏联开始投入生产工业机械手，直到 80 年代初，已经大量投入使用工业机械手，并将机械手应用在环境比较恶劣的情况下。

　　到目前为止，在工业机械手技术方面可以概括为以下三个优点：第一，在性能方面的优势为：速度更为快速和稳定，精度更高，可靠性更高，操作性简便。

　　第二，控制系统更加开放，并已实现集成化、标准化和网络化。第三，机械手结构的标准统一，走向模块整合化、可组装化发展，如驱动电机、减速器、检测系统的一体化设计等，其中以 RV 减速器和谐波减速器使用最为频繁。总之，工业机械手在机构设计和控制系统以及各个模块部件和运行速度稳定性及精度等方面都十分成熟。

　　1.3.2 工业机械手国内发展状况

　　从 20 世纪 70 年代开始，我国在"七五"、"八五"、863 计划等国家政策的支持下，一些科研院所开发了应用于搬运、焊接、喷涂、装配等领域的机械手并取得了一定的成果[4-5].例如，中国航天科技集团公司第九研究院第十六研究所研发的机械手应用在材料处理、机床装料等工业生产领域。沈阳新松机械手自动化股份有限公司设计研发并推出了 rh6 弧焊机械手、rd120 点焊机械手等。不过国内机械手与国外发达国家机械手相比仍有一定的差距[6].因为在国内生产机械手的一些重要零部件还是需要从国外进口，国内还没有完全的独立自主的生产能力，因此，国内机械手相比于国外机械手在技术、性能方面存在一些缺陷。如与日本和美国的机械手相比，国内机械手缺乏创新力，一些零部件是模仿他们的零部件。

　　虽然由于国内沿海工业发达地区对产品的质量要求较高，使得越来越多的企业使用机械手来代替工人，但是对于内陆一些地区的中小企业还并未使用机械手，但随着加工精度和效率不断提高的要求下，企业已经尝试应用自动上下料机械手来加工产品。

　　1.4 机械手仿真系统国内外研究现状

　　仿真不仅仅是基于相似原理、控制理论、信息技术和相关领域的知识，还是以计算机及各种专用物理设备为载体探索事物的一种工具[7].仿真本质是使用上述理论和技术建立一个全面的虚拟系统模型对实际系统模型进行研究的综合性方法。使用计算机技术，对虚拟系统模型进行研究，以便于寻求规律，达到认识和改造实际物体的目的。

　　1.4.1 机械手仿真系统国外研究现状

　　在 20 世纪 70 年代，机械手仿真研究工作刚刚开始。随着技术的发展，各种仿真软件相继出现，大大促进了仿真行业的发展与繁荣。目前，市场上有许多动力学分析仿真技术的软件，其中由 Michigan 大学研制的 ADAMS 软件使用比较普遍。ADAMS 软件的优势不仅在于它的处理能力和丰富的模块化，而在于它便捷的可操作性以及标准化的接口（如可以和 MATLAB 链接）。ADAMS 软件和 MATLAB 软件联合仿真时，可以得到简单普遍的建模方法，解决机械手研究中的问题，因此也更具有现实意义[8-9].

　　1.4.2 机械手仿真系统国内研究现状

　　国内的仿真技术研究工作开始的比较晚，大约在 20 世纪 80 年代后期、清华大学、浙江大学、上海交通大学等才最先开始研究机械手仿真技术，并对此取得了一系列的研究成果，如文献中，刘又午教授等人以典型的六自由度工业机械手为模型，对通用程序进行了简化，开发出了工业机械手动力学分析的专用程序[10].近十多年来，由于科技的不断进步和国家综合实力的不断增强，机械手仿真技术也取得了很大的发展并取得了一些成果，如：华中理工大学研究的机械手离线编程系统 HOLPS、上海交通大学的 ROSIDY 通用机械手图形仿真软件、华东理工大学开发的通用机械手图形仿真系统 GRGSS 、国防科技大学开发的工业机械手运动仿真系统 IRKss 等[11-13].

　　目前，机械手仿真技术研究工作着重于机械手臂的运动学分析及动力学分析部分。机械手机构是多个自由度的空间连杆机构，实际研究其运动学和动力学是十分复杂且计算量很大的任务。为此，将机械手作为仿真对象，运用仿真技术对机械手的机构设计、运动学正逆解分析等诸多问题进行模拟，可以很好的解决研发机械手过程中出现的一些问题。

　　1.5 论文研究

　　内容论文分为六部分，在介绍了机械手的背景及国内外发展状况和仿真技术的研究现状之后，以石家庄某汽车配件生产厂中的管状防撞梁为工件，设计了平面和弧面组合式电磁吸盘及六关节机械手本体的机械结构，将两者装配在一起实现对防撞梁的上下料，并对上下料机械手本体进行运动学求解和动力学仿真分析，最后论文做了全面总结及致谢。

　　第一部分手爪研发和上下料机械手本体的结构设计。首先，在了解防撞梁的结构及实际尺寸的基础上，设计弧面、平面组合式双吸盘可调电磁机械手爪；用 Caxa 软件建立电磁机械手爪结构图；用 Solidworks 软件建立其三维模型，并对手爪所需的电磁力进行理论分析；导入到 Maxwell 软件中，进行电磁、磁力仿真，分析磁场的分布情况，验证电磁吸盘结构的正确性及确定手爪工作时电磁力的大小。其次，经过测量车间空间的实际尺寸，及了解工场中现有的防撞梁焊接过程中的实际状况，设计六关节机械手本体的机械结构并确定了每个关节的电机布置位置及机身和手腕的传动方案。

　　第二部分，上下料机械手的运动学理论分析及关键点位验证。在介绍机械手运动学分析的几种方法之后，选用解析法进行运动学分析。建立机械手坐标系、列出 D-H 参数表，计算得出各个关节矩阵，进行正运动学分析和逆运动学分析。并把逆运动学公式编写成 M 文件，用 Matlab 软件建立 GUI 人机交互界面。

　　通过任意选用一组角，进行逆运动学验证并把机械手上下料过程中的取料点和落料点导入到人机交互界面中，验证机械手结构是否可以到达，以及是否有最优值，从而可以确定机械手结构的合理性。

　　第三部分，上下料机械手动力学公式推导及连续性仿真分析。在概述研究机械手动力学分析的方法之后，选用拉格朗日方程，建立机械手的动力学公式及推导出机械手各关节的扭矩表达式。使用 Adams 软件对上下料机械手本体，进行动力学仿真，得出机械手末端位移曲线及各个关节的角速度、角加速度和扭矩曲线，并分析后处理曲线，检验上下料机械手在上下料过程中是否有卡死现象，从而验证机械结构的正确性。

　　第二章 双电磁吸盘机械手爪结构设计与仿真分析
　　2.1 引言
　　2.2 工件简介
　　2.3 手爪机械结构设计
　　2.4 电磁吸盘结构设计
　　2.5 电磁吸盘的力学特性分析
　　2.6 电磁吸盘电磁分析
　　2.6.1 Maxwell 软件简介
　　2.6.2 电磁分析理论基础
　　2.6.3 电磁吸盘求解过程
　　2.7 本章小结

　　第三章 上下料机械手本体方案设计
　　3.1 引言
　　3.2 系统总体布局及工作过程
　　3.3 机械手本体结构设计概述
　　3.3.1 机械手本体的结构形式及选用
　　3.3.2 确定上下料机械手的基本参数
　　3.4 机械手本体结构设计
　　3.4.1 机身结构设计
　　3.4.2 机身传动方案

　　3.5 手腕选型及结构设计
　　3.5.1 手腕结构类型
　　3.5.2 手腕机械结构设计
　　3.5.3 手腕传动方案
　　3.6 本章小结

　　第四章 运动学分析及关键点位验证
　　4.1 引言
　　4.2 连杆参数及坐标系建立
　　4.3 运动学分析
　　4.3.1 运动学正解
　　4.3.2 运动学逆解

　　4.4 实例验证
　　4.4.1 Matlab 软件简介
　　4.4.2 创建 GUI 人机交互界面
　　4.4.3 运动学验证
　　4.4.4 机械结构验证
　　4.5 本章小结

　　第五章 动力学公式推导及连续性仿真
　　5.1 引言
　　5.2 动力学分析方法简介
　　5.3 动力学分析
　　5.3.1 动能计算
　　5.3.2 势能计算
　　5.3.3 Lagrange 动力学方程

　　5.4 动力学仿真
　　5.4.1 软件介绍
　　5.4.2 仿真设计思路
　　5.4.3 Adams 动力学仿真
　　5.5 本章小结

第六章 总结与展望

　　为提高企业的焊接防撞梁的效率，基于对企业的实际情况的调查，了解工件及装夹台空间布局及实际位置，以现有的爱普生机械手本体的基础上设计并建立上下料机械手本体；基于防撞梁的结构形状和实际尺寸，研发了一种弧面和平面组合式电磁吸盘，并安装建立了一种可调式的双电磁吸盘机械手爪。在上下料机械手的三维模型基础上进行了运动学分析及编程验证、动力学理论公式推导和动力学仿真分析。本论文的主要工作内容和结论如下：

　　（1）通过阅读大量的有关机械手的文献，设计了一款六关节机械手本体和研发了一种弧面和平面组合式电磁吸盘，并设计成双电磁吸盘机械手爪。将组合式的电磁吸盘导入到 Maxwell 软件中进行电磁强度分析，分析磁感应强度及分布情况，验证了电磁吸盘结构的正确性。

　　（2）以改进的上下料机械手的三维模型为原型，使用 D-H 法列出连杆参数，进行正运动学和逆运动学分析，并将逆运动学公式编写成 M 文件，在 Matlab 软件中建立 GUI 人机交互界面；通过选定一组角度值，验证了运动学正解、逆解及编程程序的正确性，通过代入机械手的上下料点，验证机械手结构的合理性以及机械手的可达性。

　　（3）以改进的上下料机械手的三维模型为原型，先计算出动能和势能，代入到拉格朗日方程中，推导出连杆的及机械手的动力学公式。使用 ADAMS 软件，对上下料机械手本体进行动力学仿真分析，研究机械手末端的位移、速度、加速度及各关节的关节扭矩的变化关系。

　　本论文中还有一些不足之处，尚有许多问题需待进一步研究：

　　（1）在机械结构设计方面，机械手的齿轮、轴承型号的选择以及轴的校核还没有来及做，需要进步设计完善。

　　（2）机械手动力学仿真分析做的还不够详细，对实际结果分析得不够详细，还需对动力学进行实验。

　　（3）对于机械手轨迹规划及优化部分，因时间原因并未来得及研究，只是简单的验证了机械手连杆的结构和参数可以达到上下料的要求，并未做路径优化。

　　参 考 文 献
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致 谢

　　三年时光匆匆而过，转眼之间研究生求学生涯即将完毕。回首过往，刚刚踏入研究生生涯那天亦如昨天。我始终感觉自己非常幸运，可以遇到我的导师；也很感谢能有这么好的学习环境和许多可以提升自己修养、增加自己能力的机会。在此期间，让我蜕变、收获了许多。在此，我谨向这段时间一直陪伴我、鼓励我以及在学习和生活中给予我帮助的人们表示感谢。

　　第一，我要感谢我的导师王战中一直以来的关心和教导，王老师在学术上十分严谨，他的这种精神深深影响到了我；在学习上王老师一直很细心的教导我们，让我们的知识得到扩展，能力得到提升！

　　第二，我要感谢我的同门师兄弟。他们在平常生活中以及每次同门开会中都会提出对我论文十分有价值的建议，使我减少许多困难，论文可以顺利的完成。

　　第三，我要感谢在论文开题、中期和预答辩期间各位老师所提出的意见，感谢我的辅导员邓飞跃，感谢一同学习过、讨论过的同学们，感谢研究生生涯中所有关心我、帮助我的人！感谢石家庄铁道大学，给予我人生的这段如此美好的经历；我的人生将会因你们而变得更加精彩。

　　最后，我要感谢我的父母和我的姐姐，还有我的朋友们，就是有了你们一路的支持，才可能有现在的我，我会继续努力，让自己更加优秀，回报社会和你们！

　　谨以此文献给所有关心我的人。在此祝你们事事顺利，身体安康。

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