irb8700型搬运机器人运动学分析及仿真.docx

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第一章绪论

1.1引言

工业机器人技术是当前工业领域内的一个热门研究方向，具有多学科交叉综合应用的特点。它涵盖了机械、电气、计算机、控制科学以及工业设计等众多工程类学科。一些前沿的工业机器人，除了具备相当程度的智能，其设计更是融入了生物学仿生的概念。随着科学技术水平的发展与更新，在满足工业生产需要的前提下替代人力劳动，具有一定程度自动性的工业机器人作为工业自动化时代背景下的机械装置产物应运而生。在相当一部分领域，工业机器人操控更加精确，作业效率更高，更加贴合制造业柔性制造的趋势。现代工业中，计算机的主要功能已不再是单纯的编程控制，在设计、模拟分析和结构优化等方面，工业机器人领域已经同计算机有了更加深度的交融，二者的结合应用的深入加快了工业机器人的更新换代，也有效提高了工业机器人的作业能力。同时设计制造成本的有效降低也促进了工业机器人在制造、电子、化工、物流等工业领域的大面积使用。本文旨在讨论工业机器人市场中串联机器人的一个代表性产品——ABB集团生产的IRB8700机器人的运动学分析。所谓串联机器人，其串联的概念体现在机器人运动构件的依次串联，其主动关节只联接相邻两个运动构件。机器人整体从底座开始由运动构件串联至末端执行器，底座与构件、构件与构件、构件与末端执行器间均由移动关节或者转动关节联接，形成空间开运动链，即机器人的整体操作臂。运动链一端的机器人底座与地面或者其他承载装置固连，另一端的末端执行器作为操作臂的活动端可以在工作空间内自由活动，根据工程需要选择连接操作手、焊枪、夹具等不同的末端执行器。串联机器人通过位于运动构建部位的电机进行驱动，从而控制连杆链的运动，按照一定的规划轨迹使末端执行器到达工作空间内预定的理想工作位置。不同的串联机器人有不同的自由度，一般低（欠）自由度机器人，六自由度的机器人以及冗余度机器人之分。对于前两种类型的机器人，其末端执行器在空间中的定位或位置调整需要前三个主动关节进行控制。而冗余度机器人，如七自由度，乃至更高自由度的串联机器人则一般由其前四个甚至四个以上的主动关节来控制，其主动关节数目与他的冗余度息息相关。但无论是何种机器人，其末端执行器的姿态表现基本都是由机器人的后三个主动关节控制，通过它们进行偏转运动、倾斜运动和俯仰运动，将末端执行器运动到理想的姿态。

串联机器人目前广泛应用于机械制造业、金属加工业、汽车工业、物流业，农业等社会经济生产的重要领域，这也是工业机器人成为现代工业自动化的重要发展趋势的缩影。同时，机器人也在人类的日常生活应用中占据越来越重要的地位，家用机器人以及进入家庭与办公室，代替人类进行清洁灰尘，洗刷餐盘，洗涤衣物，打印文件，智能接待等工作；服务机器人也在医学领域的应用也愈加广泛，可以协助医务人员或独立进行诊断、护理、伤残康复以及手术等工作。在恶劣或不适合人类工作的环境中，机器人可以有效代替人类进行探索，最显见的例子即是水下机器人和空间机器人，水下机器人帮助我们丰富了对深海及深海资源的探索与认知，而空间机器人可以在非人生存环境下进行预先勘探，或在宇宙空间中代替与韩元进行卫星服务的工作，极大促进了空间技术的发展。在军事领域，军事机器人可以有效代替人类进行驾驶、救援、扫雷、有哪些信誉好的足球投注网站探查和侦测敌情等工作。机器人技术的发展与应用不仅提高了工业生产水平与效率，也给人们带来了生活的便利，对社会生产水平的发展与提高起到相当重要的作用，所以，对机器人技术的研究有着重大意义。

1.2工业机器人的发展概况

20世纪中叶，计算机技术、工业生产制造技术进入了快速更新发展的时代，技术手段的快速更新促进了工业机器人技术的产生。早在1958年，乔治·戴沃尔便申请了一个可编程机械手的专利。通过电子编程，机械手依照程序工作。针对不同的工况，操作人员可以编制不同程序来满足对应的需要。约瑟夫·恩格尔伯格认为，这种具有灵活功用的机械在工程上可以有相当的普适性。于是他邀请戴沃尔进行联合研究，一年后，他们完成了第一台现实意义上的工业机器人，并将其命名为Unimate，意为“万能自动”，并创立了同名公司。这款机器人在经历了三年的打磨后，初次问世便被美国通用汽车公司（gm）采用进入实际生产线，初步应用于工业生产的金属锻造、板件冲压、金属焊接等生产领域。于此，“工业机器人”这个名词才进入大众的视野。70年代，工业机器人技术到了它的一个黄金发展时期，工业机器人的编程在离线基础上开始具有一定的环境感知能力与自适应能力，使其可以一定程度适应

工况的改变并保证作业的完成度，工业机器人的商业化应用初显并开始迅猛发展。如今几家工业机器人的行业翘

楚，如ABB、安川、FANUC、库卡便在70年代相继开始了工业机器人相关专利的全球布局。随后，Unimation公司在

1979年发布了PUMA（Prog