puma机器人的运动空间及运动仿真
随着工业机器人的发展，它们更加的融入我们的生活。本文选用Puma560机器人。软件选择功能强大的SolidWorks软件，对其功能特色进行了阐述。紧接着对Puma560的结构运动进行了分析，通过测量关节尺寸，矩阵计算，从而计算出末端位置的数据。然后进行本文的重头戏，对Puma560机器人各部件进行建模，底座，转轴，大臂，小臂，关节1，关节2和螺钉，将详尽的建模步骤都一一写在了文中。随后，将各部分零件进行装配，构成一个完整的模型。最后用SolidWorks自带的运动例算功能对模型进行简单的运动仿真以及最后的感想和对自我不足的表述关键词 Puma，机器人，建模，仿真，运动分析
目 录
绪论 1
课题的研究意义 1
本文的主要研究内容1
2 SolidWorks软件的介绍 2
3 运动学分析 3
3.1 机器人运动学的组成 3
3.2 DH坐标系 3
33 PUMA560机器人的关节结构 4
4 PUMA560机器人的三维建模 5
4.1 PUMA560机器人底座的三维建模5
4.2 PUMA560机器人转轴的三维建模 9
4.3 PUMA560机器人大臂的三维建模 11
4.4 PUMA560机器人小臂的三维建模 14
4.5 PUMA560机器人关节1的三维建模 15
4.6 PUMA560机器人关节2的三维建模 16
5 PUMA560机器人的现实虚拟装配 17
6 PUMA560机器人的运动仿真19
结论 20
致谢 21
参考文献22
1 引言
进入21世纪,机器人己成为现代工业不可缺少的重要工具,它标志着工业的现代化程度。机器人学是一门高度交叉的前沿学科,引起许多不同专业背景的人们的兴趣,如机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人智能化等领域。许多工厂用机器人代替工人，既提高了工作效率又降 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
低了劳动成本，但是有些机械并不是人，会出现一些意想不到的问题，所以我们机械专业的学生必须对工业机器人的工作系统和结构进行一些基础的了解。本文以工业机器人PUMA560机器人运动学系统为线索,对工业机器人运动学系统关键技术作了较浅显的研究与讨论，选用了SolidWorks软件来完成PUMA560机器人的虚拟装配设计。在此软件中设计人员可以采用各种各样的特征功能去生成模型，继而进行简单的运动仿真。
1．1 课题的研究意义
首先了解串联机器人机构的基本结构，掌握串联机构的轨迹计算方法。针对工程常用的串联机器人机械结构建立三维模型，研究采用相关软件生成三维模型及运动仿真的途径，要求在系统设计开发的同时考虑其具体的工程运用需求。通过此课题的研究，可以让机械专业的学生掌握机械模型的运动仿真方法并综合应用专业基础及专业知识，分析和解决实际问题。同时掌握应用三维CAD软件设计产品的能力。从而积累经验，运用到以后的学习和工作中。
1. 2 本文的主要研究内容
（1） 首先了解串联机器人机构的基本结构，掌握串联机构的轨迹计算方法；
（2） 运用SolidWorks软件对所有零部件进行三维建模；
（3） 利用SolidWorks软件新建装配体功能装配PUMA560机器人；
（4） 虚拟装配完成后，模拟仿真机器人的运动过程；
（5） 对产品结构方案进行论证，对PUMA560机器人进行优化设计。
2 SolidWorks软件的介绍
SolidWorks软件功能强大，组件繁多。 SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
用户界面：SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。
装配设计：用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。
工程图：SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
3 运动学分析
3.1 机器人运动学的组成
机器人运动学主要包括正向运动学,即给定机器人各关节变量,计算机器人末端的位置与姿态。逆向运动学是已知机器人末端的位置与姿态,计算机器人对应位姿的全部关节变量。一般正向运动学的解是唯一的,而逆向运动学往往有多个解且分析方法更复杂；
3.2 DH 坐标系
机器人操作机由一串用转动或平移关节连接的刚体(杆件)组成。研究机器人操作机的每一活动杆件只具有一个自由度。杆件的编号由固定基座开始,固定基座称为杆件0 ,第一个运动体是杆件 1,依次类推,直到最后一个末端杆件,关节 1 连接杆件 1 和支座,不构成闭环。第i关节的 关节轴置于相邻两个杆件的连接处,相邻两杆件之间有一个共同的关节轴线,因而每个关节轴线有两条公法线与之垂直,两相邻杆件(杆件 i 1 和杆件i)的相对位置由两条公法线沿关节轴方向的距离 di 所决定。关节角在垂直于关节轴的平面内测量。
刚性杆件的DH 表示法取决于此杆的4个几何参数。这 4个几何参数可完全描述任何转动或移动关节。图 1 中：：绕 轴(右手规则)由轴向轴转动的关节角；di：从第（i1）坐标系的原点到Zi1轴和Xi轴的交点沿Zi1轴的距离；ai: 从 Zi1和 Xi的交点到第i 坐标系原点沿Xi轴的偏置距离( 即Zi1和Zi两轴间的最小距离)；
目 录
绪论 1
课题的研究意义 1
本文的主要研究内容1
2 SolidWorks软件的介绍 2
3 运动学分析 3
3.1 机器人运动学的组成 3
3.2 DH坐标系 3
33 PUMA560机器人的关节结构 4
4 PUMA560机器人的三维建模 5
4.1 PUMA560机器人底座的三维建模5
4.2 PUMA560机器人转轴的三维建模 9
4.3 PUMA560机器人大臂的三维建模 11
4.4 PUMA560机器人小臂的三维建模 14
4.5 PUMA560机器人关节1的三维建模 15
4.6 PUMA560机器人关节2的三维建模 16
5 PUMA560机器人的现实虚拟装配 17
6 PUMA560机器人的运动仿真19
结论 20
致谢 21
参考文献22
1 引言
进入21世纪,机器人己成为现代工业不可缺少的重要工具,它标志着工业的现代化程度。机器人学是一门高度交叉的前沿学科,引起许多不同专业背景的人们的兴趣,如机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、人工智能、社会学等。机器人学包含机器人运动学、机器人动力学、机器人控制、机器人智能化等领域。许多工厂用机器人代替工人，既提高了工作效率又降 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
低了劳动成本，但是有些机械并不是人，会出现一些意想不到的问题，所以我们机械专业的学生必须对工业机器人的工作系统和结构进行一些基础的了解。本文以工业机器人PUMA560机器人运动学系统为线索,对工业机器人运动学系统关键技术作了较浅显的研究与讨论，选用了SolidWorks软件来完成PUMA560机器人的虚拟装配设计。在此软件中设计人员可以采用各种各样的特征功能去生成模型，继而进行简单的运动仿真。
1．1 课题的研究意义
首先了解串联机器人机构的基本结构，掌握串联机构的轨迹计算方法。针对工程常用的串联机器人机械结构建立三维模型，研究采用相关软件生成三维模型及运动仿真的途径，要求在系统设计开发的同时考虑其具体的工程运用需求。通过此课题的研究，可以让机械专业的学生掌握机械模型的运动仿真方法并综合应用专业基础及专业知识，分析和解决实际问题。同时掌握应用三维CAD软件设计产品的能力。从而积累经验，运用到以后的学习和工作中。
1. 2 本文的主要研究内容
（1） 首先了解串联机器人机构的基本结构，掌握串联机构的轨迹计算方法；
（2） 运用SolidWorks软件对所有零部件进行三维建模；
（3） 利用SolidWorks软件新建装配体功能装配PUMA560机器人；
（4） 虚拟装配完成后，模拟仿真机器人的运动过程；
（5） 对产品结构方案进行论证，对PUMA560机器人进行优化设计。
2 SolidWorks软件的介绍
SolidWorks软件功能强大，组件繁多。 SolidWorks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。
在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。
用户界面：SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。
装配设计：用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。
工程图：SolidWorks 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全相关的，当你修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。
3 运动学分析
3.1 机器人运动学的组成
机器人运动学主要包括正向运动学,即给定机器人各关节变量,计算机器人末端的位置与姿态。逆向运动学是已知机器人末端的位置与姿态,计算机器人对应位姿的全部关节变量。一般正向运动学的解是唯一的,而逆向运动学往往有多个解且分析方法更复杂；
3.2 DH 坐标系
机器人操作机由一串用转动或平移关节连接的刚体(杆件)组成。研究机器人操作机的每一活动杆件只具有一个自由度。杆件的编号由固定基座开始,固定基座称为杆件0 ,第一个运动体是杆件 1,依次类推,直到最后一个末端杆件,关节 1 连接杆件 1 和支座,不构成闭环。第i关节的 关节轴置于相邻两个杆件的连接处,相邻两杆件之间有一个共同的关节轴线,因而每个关节轴线有两条公法线与之垂直,两相邻杆件(杆件 i 1 和杆件i)的相对位置由两条公法线沿关节轴方向的距离 di 所决定。关节角在垂直于关节轴的平面内测量。
刚性杆件的DH 表示法取决于此杆的4个几何参数。这 4个几何参数可完全描述任何转动或移动关节。图 1 中：：绕 轴(右手规则)由轴向轴转动的关节角；di：从第（i1）坐标系的原点到Zi1轴和Xi轴的交点沿Zi1轴的距离；ai: 从 Zi1和 Xi的交点到第i 坐标系原点沿Xi轴的偏置距离( 即Zi1和Zi两轴间的最小距离)；
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