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第6期江苏科技信息No.6

2021年2月JiangsuScienceTechnologyInformationFebruary，2021

六自由度机器人运动学及主要构件的有限元分析

程锴

（南京以禾电子科技有限公司，江苏南京210039）

摘要：文章以六自由度机器人为研究对象，根据实际的作业情况，对机器人进行运动学分析以及主要构

件的有限元分析。运动学分析分为正运动学分析和逆运动学分析，解决的是机器人的手臂转向何方，分

析的是手部的速度、加速度和位移。有限元分析主要是机械系统静力学分析。对主要构件建立模型、模

型简化、网格划分，根据危险工况的受力情况，分析了各构件的应力、形变等性能，确保结构设计合理。

对于工业机器人机械结构、传动等方面，运动学和有限元分析能够判断整机设计是否达到设计目标，对

结构件的优化设计具有重要的意义。

关键词：六自由度；机器人；运动学；有限元分析

中图分类号：TP242.2文献标志码：A

0引言人运动学分析时建立坐标系最常用的方法，该方法是

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在当前科学技术不断进步和快速发展的背景下，Denavit等在1955年提出的，他对机器人进行建模和

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很多先进的技术手段被广泛应用在各个领域中。演示，推算出了运动方程。

特别是机器人在工业中得到广泛的应用，在实际运行D-H法是假设机器人由各种连杆和关节组成，关

过程中，类似于码垛搬运的六自由度机器人在搬运货节可以是滑动，可以是转动，也可以在任意平面按照

物中节省大量劳动力，但安全性与可靠性一直备受考不同顺序摆放。连杆可以是任意长度，可以弯曲、扭

验。因此，本文主要对六自由度机器人进行运动学和曲，也可以处于任意平面。指定一个参考坐标系给各

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静力学分析。个关节，从基座开始依次进行变换，直到最后关节，

机器人运动学研究解决的是机器人的手臂转向再将所有变换结合起来，就得到了总的变换矩阵。

何方，分析的是手部的速度、加速度和位移。运动学本文使用D-H法来建立坐标系并推导该机器人的

方程是进行机器人位移分析的基本方程，也称为位运动方程。

姿方程。图1是组成机器人的杆件、关节构成结构简图以

机器人运动学分为正运动学分析和逆运动学分及构造的机器人坐标系。关节2是连接杆件1和杆件

析。正运动学是机器人运用各个关节角度、各个构件2的关节，记做Joint2或J2，0坐标系和1坐标系的原

车长度等已知条件来判断末端执行器在三维空间中点O，O位于关节2的轴线上；关节3是连接杆件2和

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的位置；而逆运动学正好相反，它解决的是机器人需杆件3的关节，记做Joint3或J3，3坐标系的原点O位3

要如何运动才能使得末端执行器