基于六自由度機械手上下料的運動分析

趙輝 呂奇杰

摘 要：機械手在工業領域逐漸被重視起來，它也體現了機器人技術應用的重要方面。它不僅有效的增加了零件加工產量，并且可以在高危險性的工作要求下解決人力無法完成的工作。在我國對機械手應用在工業領域的支持下，數控機床的加工范圍越來越大，加工精度越來越高，但是國內對零件加工目前基本還是依靠人工進行上下料，這種方式不僅無法保證工人的安全，上下料的速度與精度也無法滿足數控機床自動化的要求。六自由度機械手上下料不但可以動作迅速，還可以實現定位準確等優點。該文主要通過六自由度機械手實現自動化流水線上的上下料工作，將零件毛胚與CNC數控機床有機結合起來，實現自動化加工，將零件毛胚加工成型的過程并使用機械手串聯的方式完成加工，研究其運動動作軌跡，分析運動狀態。

關鍵詞：機械手 上下料系統 運動分析 運動狀態

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（b）-0003-05

Upper and Lower Material Motion Analysis based on Six Degree of Freedom Manipulator

Zhao Hui Lv Qijie

（Northeast Forestry University，Heilongjiang Haerbin，150040，China）

Abstract：Mechanical hand in the industrial field gradually pay attention to it， it also embodies the important aspect of the application of robot technology. It not only effectively increase the parts processing production， and can solve the human is unable to complete the work in the working requirements of high risk under the. In our country the manipulator application support in the industrial field， the machining range of NC machine tools is more and more big， the machining accuracy is more and more high， but the domestic on machining at present basic still relies on manual loading and unloading， this way not only can not guarantee the worker's own safety， upper and lower speed and precision of material also unable to meet the requirements of NC machine tool automation. Six degree of freedom mechanical hand feeding can not only quick action， but also can realize the accurate positioning etc.This paper mainly through the six degree of freedom manipulator to realize the automatic production line of discharging work， the wool embryo and CNC NC machine tool parts organically， realize the automation of machining process， the wool embryo forming parts and the use of mechanical hand series way to finish processing， studies its movement trajectory， movement analysis.

Key Words：Manipulator；Loading and Unloading System；Motion Analysis；Motion State

機器人技術作為20世紀人類最偉大的發明之一，自問世以來，就一直備受矚目。40余年來，有關它的研究取得了長足的進展。各種形態、功能的機器人相繼面世，而未來的機器人將是一種能夠代替人類在非結構化環境下從事危險、復雜勞動的自動化機器，正是由于機器人在多方面應用的可能性，才使得機器人在財會方面也是可以取得成就的。

對機械手的細分通常按照坐標形式、驅動方法和運動控制方式進行分類。其特性表現為它具有機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等跨學科先進技術于一體的高端制造業重要的智能裝備，他共分為機械主題、伺服系統、減速器、控制器四部分組成，我所研究的新松公司的工業機器人在工業生產中能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業，或是危險惡劣環境下的作業，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑形制品成型、機械加工和簡單裝備等工序上，已經完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。工業機器人能夠提升生產的效率和產品的質量，是企業補充和替代勞動力的有效方案。它具有降低工人勞動強度，增強工作場所健康安全性，提高自動化程度，提高對零部件的處理能力，保證產品質量，提高成品率，提高自動化生產效率等優點，所以值得我們深入研究它的工作方法。

該文選擇的一款六軸機器人與數控機床，它在工作中正好體現了它的優越性，取代了勞動力自行完成從零件上料到下料的完整過程，從工作開始到工作結束全部由六自由度工業機器人完成。

1 機械手上下料系統工藝流程

前期我們需要先進行資料的查閱與零件圖的分析，可根據零件進行車削工藝分析，制定機械手上下料系統方案設計，根據零件加工方案，制定工藝流程圖（圖1）而零件的加工需要注意以下幾點。

（1）機械手上下料功能。

（2）零件在傳送帶的輸送功能。

（3）上下料機械手的工作協調及工作安全。

在于本設計的優化裝置，現將設計要求在符合上述注意事項的情況下設定為：工件上下料工作時間在12 s以內；要求以零件毛胚形式通過人工上料的方式從輸送機一端為起點，另一端為重點，期間完成整個加工工程從而做到整個循環過程自動化；將機械手與其對應的CNC設定一個單獨獨立的工作系統，目的為完成零件的部分加工。最后設定機械手上下料時，末端執行器將零件固定到機床芯軸的定位精度為0.02～0.05 mm。

2 機械手上下料系統工作時序

在此流水線工作過程中，為完成各個加工工序，應將輸送機、六自由度上下料機械手、CNC數控機床1、2工作過程中，安排好工作時序，完成加工。整個機械手工作時間須在12秒內完成，提高工作效率（圖2）。

為了節省工作時間，對應CNC數控機床1的上下料機械手及對應數控機床2的上下料機械手工作是一致的，由左到右依次為零件毛坯、上下料機械手1、CNC數控機床1、上下料機械手2、數控機床2、上下料機械手3、成品零件槽（其中輸送機從零件毛胚處到成品零件槽一直延展）。其中，上下料機械手1與CNC數控機床對應成為加工系統（一），上下料機械手2與數控機床2作為加工系統（二），上下料機械手3與成品零件槽作為拾取收集裝置。大體流程為：工人將零件毛胚放置輸送機初始端，上下料機械手1對其定位拾取將其運送至CNC數控機床，對應零件固定到機床芯軸的定位精度為0.02～0.05 mm，機械手歸位，數控機床1進行加工，加工完畢后機械手將零件取出放置輸送機，輸送機運行將加工零件運行至數控機床2對應的上下料機械手2處，機械手運行將其放置數控機床2內，數控機床2工作完畢后將其取出放置輸送機，輸送機運行將零件運輸到上下料機械手3前，由上下料機械手3將其放置已加工完畢的零件槽。為減少工作時間，使其工作時機械手同時工作，上料時，零件毛胚由上下料機械手1拾取到CNC數控機床1外端，同時數控機床2打開機床門，上下料機械手2也工作將剛剛從加工系統（一）加工出的零件拾取到數控機床2前并將其安裝在三爪卡盤上，同時上下料機械手3將輸送帶上剛剛數控機床2加工結束后的零件拾取到成品零件槽里。卸料時，CNC數控機床1加工完畢，上下料機械手1將零件取出放置在輸送帶上，上下料機械手2將數控機床2加工后的零件放置輸送機上，上下料機械手3歸位至待取狀態，放置完畢后輸送帶運轉將零件輸送至下一裝置。

3 上下料機械手運動學分析

隨著科技飛速的發展，工業上對零件的精度要求越來越高的前提，人們對數控機床加工零件的效率也有著較高的提高。在解決零件加工問題上，科技給機械領域帶來的是效率的提高，勞動力的節省，故將現有的CNC數控加工技術與工業機器人技術相結合，組成高效率性的加工系統。為了提高生產效率減少加工時間，優化上下料機械手運動軌跡，下面對六自由度機械手進行詳細的運動學分析。

3.1 上下料機械手的結構組成

零件加工過程，為了將其有效定位，抓取被加工零件并將它放置到CNC數控機床的卡盤上加工處理，對機械手的自由度要求為六個，可以做到的實現的動作為：平移、抓取、旋轉等動作，首先將上下料機械手放置系統中，合理的布局桌面（圖3）。

該機械手有六個關節，它們分別是腰關節、肘關節、肩關節、腕關節1、2、3。其中，腕關節1、2、3三個關節構成球腕，而末端執行器為根據零件的不同從而安裝不同種類的末端執行機構（圖4）。

六自由度機械手技術參數如圖1所示。

3.2 上下料機械手的運動學分析

對上下料機械手進行運動學分析，首先要進行坐標系的建立，然后進行運動學的正解分析、逆解分析，從而完成機械手的整個運動學分析。

3.2.1 坐標系的建立

采用D-H（Denavit-Hartenberg）參數法建立此上下料機械手的運動學模型，先將該機械手的簡化圖做出，分別在各個關節處建立各自的連桿坐標系（圖5）。

3.2.2 平面軌跡設計的正運動學分析

機器人運動學只涉及到物體的運動規律，不考慮產生運動的力和力矩。機器人正運動學所研究的內容是：給定機器人各關節的角度或位移，求解計算機器人末端執行器相對于參考坐標系的位置和姿態問題。

各連桿變換矩陣相乘，可得到機器人末端執行器的位姿方程（正運動學方程）為：

=

其中：向矢量處于手爪入物體的方向上，稱之為接近矢量，y向矢量的方向從一個指尖指向另一個指尖，處于規定手爪方向上，稱為方向矢量；最后一個矢量叫法線矢量，它與矢量和矢量一起構成一個右手矢量集合，并由矢量的叉乘所規定：。

上式表示了機器人變換矩陣，它描述了末端連桿坐標系{4}相對基坐標系{0}的位姿，是機械手運動分析和綜合的基礎。

正運動學分析步驟及計算。

（1）根據機器人坐標系的建立中得出的A矩陣，相乘后得到T矩陣，根據一一對應的關系，寫出機器人正解的運算公式，上一節中已經對六自由度串聯機械手的各個參數進行了計算，因此這里公式不再一一列出。

（2）根據所要設計的文字軌跡，求出各個分量的值，其中以“西”的起筆為第一個輸入和輸出參數進行求解?？商顚憽拔鳌弊值牡谝粋€軌跡參數表。

六自由度串聯機器人的正運動學的輸入和輸出參數，如表2所示。

（3）運行六自由度串聯機器人控制系統軟件，點擊“空間學計算”按鈕，出現如圖所示界面，在“關節角度”中相應的位置輸入各個關節的變量值，點擊“正解計算”按鈕，各個參數的值顯示在“末端位姿”相應的框內。

（4）將計算的值和控制系統軟件計算出的值相比較，比較結果是否一致。

3.2.3 六自由度機械手軌跡設計中的逆運動學分析

機器人的運動學反解存在的區域稱為機器人的工作空間，求解機器人逆解的目的也在于要求出機器人的工作空間。

工作空間是操作臂的末端能夠到達的空間范圍，即末端能夠到達的目標點集合。值得指出的是，工作空間應該嚴格地區分為兩類：靈活（工作）空間。指機器人手爪能夠以任意方位到達的目標點集合。因此，在靈活空間的每個點上，手爪的指向可任意規定?？蛇_（工作）空間。指機器人手爪至少在一個方位上能夠到達的目標點集合。

機器人操作臂運動學反解的數目決定于關節數目和連桿參數（對于旋轉關節操作臂指的是，）和關節變量的活動范圍。

在解運動學方程時，碰到的另一問題是解不唯一（稱為多重解）。在工作空間中任何點，機械手能以任意方位到達，并且有兩種可能的形位，即運動學方程可能有兩組解。

求解RBT系列機器人的過程如下：求解的變量為。

T=（各項公式見正解）

整理矩陣各項可得：

（式3-2）

（式3-3）

（式3-4）

根據上述已知條件求出相應的變量

注：其中，

逆運動學分析步驟及計算

（1）計算機器人運動學方程，根據一一對應的關系，求解機器人逆解的運算公式，如果有的變量有兩個值應該全部保留：

求解：由已知（式2.4-1）、（式2.4-2）可知

求解：

設為第三節在大臂坐標系內坐標值，可得

令

令

由倍角公式

可得：

求解：

即：

求解：

由

求解上述方程式可得：

即

求解：

～已知 即已知T1；T矩陣由T1×T2=T可得

T1-1×T=T2與正解T2矩陣項對應元素相等可有方程

整理得

解方程

即

求解：

已知即已知3A4則（T1×3A4）-1×T=4A55A6與正解4A55A6公式對應元素相等可得方程式

求解方程式可知：

求解：

已知同上，對應元素相等可得方程式為：

求解方程式可得：

（2）根據以上計算出的機器人運動學方程，一一對應的關系，將解出的機器人逆解的運算公式填入表中，如表3所示。

將正運動學分析中的數據帶入表中，求出各個分量的值，如果有兩組分別填入。如表4所示。

（3）運行六自由度串聯機器人控制系統軟件，點擊“空間學計算”按鈕，在“末端位姿”中相應的位置輸入各個關節的變量值，點擊“逆解計算”按鈕，逆解的值顯示在“關節角度”中相應的框內。

通過運動學逆解得到當被抓物體處于基坐標系的某一點時，各關節所需要轉過的角度，運動學逆解可能存在多組解，并不是所有的解都能滿足機械手的結構限制，同時滿足機械手的結構限制的解也存在是否最優的問題。常用的最優原則有距離最短原則和時間最短原則。

（1）距離最短原則：指到達目標的各關節變量變化的絕對值之和最小。

（2）時間最短原則：是指由機械手到達目標的時間最少。

選擇何種最優原則要視控制策略和實際需要而定。

4 結語

該文通過對六自由度機械手上下料的系統的基礎上，對數控機床與機械手上下料的工作分析，實現了六自由度機械手上下料加工的過程，并對六自由度機械手上下料做運動分析，也為以后研究六自由度機械手的上下料過程及更復雜的運動軌跡的自由性做進一步研究。

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