基于三菱工業機械手的繪畫機器人

楊 維，暢子威，張婉瑩

（陜西國防工業職業技術學院機電工程學院，陜西 西安710300）

基于三菱工業機械手的繪畫機器人

楊 維，暢子威，張婉瑩

（陜西國防工業職業技術學院機電工程學院，陜西 西安710300）

工業機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的自動化裝備。設計以三菱六自由度工業機器人為主體，設計了繪畫機器人的手部，采用MELFA-BASIC-V語言進行編程，最終實現了機器人繪畫。

工業機器人；繪畫；示教編程

隨著現代工業技術的發展，工業自動化技術越來越高，工業機器人已經成為工業生產中提高勞動生產率的重要因素。工業機器人在實現各種要求的工序前提下，大大提高了工業過程的質量，而且大大解放了生產力，改善了工作環境，減輕了勞動強度，節約了成本，提高了生產效率。本文利用六自由度工業機器人為執行元件，通過示教再現的方式實現了機器人繪畫。

1 繪畫機器人手部設計

機器人的手部是指安裝于機器人手臂末端，直接作用于工作對象的裝置。工業機器人所要完成的各種操作，最終都必須通過手部來得以實現，本文將六自由度機械手的手部設計為筆筒形狀來完成規定繪畫動作。

1.1 執筆器設計

為滿足繪畫機器人繪制精細畫的要求，本文設計了一種固定的執筆器。執筆器的主要作用是連接畫筆和機械臂末端手。為了實現執筆器的虛擬裝配，特意測量了機器人末端抓手的機械數據，然后經過繪制和裝配，得出如圖1所示的機器人執筆器。執筆器采用數控車床加工，筆筒為半徑25 mm的空心圓柱體，和工業機器人連接的部分采用50 mm的臺階[1]。

圖1 執筆器

1.2 手部加工

繪畫機器人手部材質采用鋁制材料，用白板筆作為畫筆。通過數控車床車削、鉆孔、鏜孔等加工工藝實現了筆筒的加工。手部與工業機器人連接部分采用沉頭螺釘連接[2-3]。部分加工程序如下：

車外圓

O0001

T0101

M03 S600

G00 X52 Z3

G71 U2 R1

G71 P10 Q20 U0.2 W0.1 FO.2

N10 G00 X18

G01 Z0 F0.15

X20 Z-1 F0.1

Z-39.5

X48

X50 Z-40.5

N20 X50.5

G70 P10 Q20 S800

G00 X100 Z150

M05

M30

O0002

T0404

M03 S600

G00 X14 Z3

G01 Z0 F0.15

X13.2 Z-0.5 F0.1

Z-10

X12.5

Z3 F1

G00 Z200 X50

M05

M30

2 繪畫機器人關節控制

機器人運動學由正向和逆向運動學構成。正向運動學是在給出各關節變量的條件下計算機器人的關節變量，從而得出機器人末端位姿；而逆向運動學是已知機器人末端位姿的條件下得出機器人對應位姿的全部關節變量。機器人平衡裝置影響著大臂、小臂的平衡，大臂臺座安裝在機器人的回轉平臺上，將大臂連桿的下端關節支承在臺座上，大臂連桿的上端關節則用于支承小臂。本文設計的繪畫機器人擁有六個旋轉自由度。為了實現機器人各關節協調工作，通過放置在各關節的傳感器將數據傳遞給計算機，使得控制系統得知關節位置。

3 繪畫機器人控制

目前常用的繪畫機器人控制方法有描點法，首先將圖畫處理成線條，再將線條分解成點集后解算逆解，最后機器人按這些點形成圖畫，不能體現繪畫機器人仿人的特點，且筆跡不光滑、重影嚴重。這種常用的方法同面性差、重影嚴重且通用性不強。

本設計采用路徑規劃法，該方法是對描點法的改進，處理成線條后進行軌跡規劃，將描繪線條的點數盡可能減少再形成圖畫。將一幅圖分解成線段與點，將畫面放置于一個水平面上，測量每個必需點的空間坐標。依據這些點空間坐標和要求的姿態，通過機器人逆運動學求解出每個空間坐標所對應的關節角度。各關節活動如圖2所示。

圖2 機器人關節活動示意圖

本設計采用MELFA-BASIC-V語言進行編程，主要應用直線、圓弧插補等指令。此外機器人利用RT-TOOLBOX3.2軟件進行示教采點[4]。繪畫效果如圖3所示。

圖3 工業機器人繪畫效果

4 結束語

本設計在現有機器人基礎上改造了軟件和硬件，使控制對象滿足繪畫的要求。在硬件設計過程中，執筆器達到有針對性的設計指標。為了滿足繪畫機器人的使用環境，在 Pro/Engineer軟件環境下，經過應力分析多種結構后最后設計出了滿足了設計要求的固定執筆器。在軟件設計中，采用MELFA-BASIC-V編制整個控制程序，實現了機器人繪制簡筆畫。

[1]徐秀娟.機械制圖[M].北京：北京理工大學出版社，2010.

[2]黃雨田.機械制造技術[M].北京：北京理工大學出版社，2014.

[3]潘 東，趙 熹.數控加工技術[M].北京：北京理工大學出版社，2012.

[4]楊 維，修學強.機器人制作與編程[M].北京：科學出版社2013.

Painting Robot Based on the MITSUBISHI Manipulator

YANG Wei，CHANG Zi-wei，ZHANG Wan-ying
（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Shaanxi Guofang Institute of Technology，Xi’an 710300，China）

The industrial robot is a mechanical，electronic，control，computers，sensors，automation equipment，artificial intelligence and other advanced technology.The design of the MITSUBISHI industrial robot with six degrees of freedom as the main body，using MELFA-BASIC-V language programming，finally realized the painting robot.

industrial robot；painting；teaching programming

TP241.2

B

1672-545X（2017）09-0125-02

2017-06-27

本文受到陜西國防工業職業技術學院院級課題資助（Gfy17-26）

楊 維（1983-），女，陜西戶縣人，本科，講師，研究方向為機電一體化技術。