救援機器人操作臂的正運動學分析與仿真

◆韓訓梅

救援機器人操作臂的正運動學分析與仿真

◆韓訓梅

救援機器人是當前機器人研究領域中的一個熱點，它一般采用輪式或履帶式車體加裝操作臂的結構。機器人可以在遠端被遙控從而實現半自主或自主作業，廣泛應用于各種危險的救援場合。在自主研制的救援機器人基礎上，根據作業環境特點及作業任務要求，對安裝在該救援機器人移動平臺上的操作臂進行運動學的正解、運動學仿真及優化研究。

救援機器人；操作臂；運動學分析

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.12.036

1　引言

近年來多發的天災（如地震、火災）、人禍（如恐怖活動、武裝沖突等）帶來的危害，威脅著人們的安全，引起了社會的廣泛關注。在一些危險性大的災難中，施救人員無法深入進行偵探或施救，而救援機器人的加入可以有效地提高救援的效率，降低施救人員的危險系數［1］。

操作臂的結構和人的手臂相似，是由一系列的剛性連桿通過關節連接而成的，是機器人關鍵部件之一。它可以借助計算機編程實現各桿件各關節運動的自動控制，最終驅動末端執行機構手爪部件完成規定的任務［2］。安裝有操作臂的救援機器人可以代替人從事很多高危險性的作業。

2　運動學模型坐標系的建立

本文的研究對象救援機器人的操作臂位于移動平臺上，如圖1所示。操作臂是關節型結構，腰關節和大臂相連，大臂可旋轉、可擺動；大臂和小臂相連，小臂可擺動、可伸縮；小臂和手腕相連，手腕可擺動、可旋轉，如圖2所示，共計六自由度。

操作臂的正運動學分析是指根據各運動副的已知運動參數，求末端執行機構相對于給定坐標系的位姿［3］。對該操作臂進行運動學分析之前，首先要分析兩相鄰桿件之間的關系，即建立連桿坐標系。1995年，Denavit和Hartenberg提出用矩陣法，即D-H法，來建立連桿坐標系。D-H坐標系的模式有兩種，即固連坐標系前置模式和后置模式。這兩種不同的模式雖然會使導出的變換矩陣有所不同，但對最終各連桿的位姿分析沒有影響。本文將采用固連坐標系前置模式來建立連桿坐標系，如圖3所示。

圖2　操作臂

圖1　移動平臺

表1　操作臂D-H參數表

作者：韓訓梅，三江學院機械工程學院專任教師、講師，主要從事數控技術和機電一體化專業課程的教學與研究工作（210012）。

圖3　操作臂坐標系建立示意圖

3　運動學的正解

根據所建坐標系和操作臂各關節運動范圍，可得到操作臂D-H參數如表1所示。

由表1可以得到操作臂各個關節之間的連桿變換矩陣如下：

可得操作臂的坐標轉換矩陣：

式中：

其中：

式7～式9即是操作臂的變換矩陣，描述了末端腕關節坐標系｛6｝相對于腰關節基準坐標系｛0｝的位姿，這是操作臂運動學的正解分析。

4　運動學仿真分析

根據上面得到的操作臂運動學正解的結果，下面借助ADAMS軟件對該操作臂進行運動學仿真。首先，將通過SolidWorks構建的操作臂的模型導入到軟件ADAMS/View中；其次，對其各構成部件的屬性和部件元素的屬性進行編輯；再次，根據實際運動情況添加約束和驅動，即生成完備模型［3］，如圖4所示；最后進行運動學軟件的仿真，生成仿真曲線，如圖5～圖12所示。

通過分析各關節角加速度和角速度曲線，可知各關節均正常運行，操作臂運行軌跡光滑，速度和加速度平穩。從圖中的加速度曲線可知，在啟動和停止階段，小臂伸縮、俯仰關節，大臂俯仰關節和云臺的旋轉關節的加速度都有比較大的變化。開始時，加速度從零到最大值；結束時，加速度從最大值降到零。在中間運行階段，角加速基本保持平穩，大致呈線性變化。由于考慮了重力，各關節的角加速度是重力和驅動力矩共同作用的結果。

從各關節所受的力和力矩曲線可看出，各關節驅動力矩變化平穩，沒有沖擊現象。

圖4　操作臂定義約束后模型

圖5　小臂伸縮關節速度、加速度圖

圖6　小臂伸縮關節受力、力矩圖

圖7　小臂俯仰關節速度、加速度圖

圖8　小臂俯仰關節受力、力矩圖

圖9　大臂俯仰關節速度、加速度圖

圖10　大臂俯仰關節受力、力矩圖

圖11　云臺旋轉關節速度、加速度圖

綜合以上兩點可知，操作臂各關節的運動是比較平穩的，無劇烈振動，符合之前的理論分析。

5　結語

本文使用D-H建立了操作臂各關節坐標系，并求解出操作臂的位姿正解方程，后又借助ADAMS軟件對操作臂進行具體運動的仿真分析，最后結合作業過程中的一般抓取物體的實例，獲得操作臂各關節電機力矩的變化規律，以及角加速度、角速度的變化規律，為樣機設計中電機的優化選擇提供了依據，同時也為機器人教學創建了相應的分析實例。■

圖12　云臺旋轉關節受力、力矩圖

［1］劉金國，等.災難救援機器人研究現狀、關鍵性能及展望［J］.機械工程學報，2006，42（12）：1-12.

［2］劉海江，姜冬冬，張春偉.采用ADAMS的五自由度拋光機械手仿真分析［J］.現代制造工程，2010（12）：50-53.

［3］曹俊琴.一種基于思維進化算法的神經網絡求解機器人逆運動學問題［D］.太原：太原理工大學，2005：4.

［4］張艷麗.基于ADAMS的關節型機器人正運動學分析與仿真［J］.沈陽航空工業學院學報，2009（4）：31-33.

Forward Kinematic Analysis and Simulation of a Rescue Robot Manipulator//HAN Xunmei

Rescue robot is a hot topic in the fi eld of robotics research. It is commonly used wheeled or tracked vehicle body installation of the operating arm of the structure. The robot can be remote semiautonomous or autonomous operation， widely used in a variety of dangerous rescue situations. According to the requirements of the operating environment characteristics and job tasks， in combination with the self-developed rescue robot， kinematics， and trajectory planning and simulation of the operating arm mounted on a mobile platform is carried.

rescue robot； manipulator； kinematics

TP242.6

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1671-489X（2016）12-0036-05