基于Proe的六自由度機(jī)械手的運(yùn)動軌跡規(guī)劃與仿真

劉旭升 王 嬌 馬樂萍

（1.山西藥科職業(yè)學(xué)院，太原 030000；2.太原理工大學(xué)，太原 030024）

六自由度機(jī)械手主要通過計算機(jī)進(jìn)行控制，液壓與氣壓都具有高精度以及高效率的先進(jìn)數(shù)控加工設(shè)備，采用智能控制的機(jī)械手又被稱為工業(yè)機(jī)器人，被廣泛應(yīng)用在了工廠中的流水線生產(chǎn)中，代替了人力很多繁重的工作，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用，能夠極大的提高工作效率，機(jī)械手的研發(fā)對于工業(yè)的發(fā)展有積極的推動作用[1]。在本文的研究設(shè)計中對能夠簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)產(chǎn)品的周期進(jìn)行了研究，簡化周期能夠降低產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計成本，提高產(chǎn)品的可靠性，對六自由度機(jī)械手進(jìn)行Proe建模，在計算機(jī)仿真環(huán)境下對產(chǎn)品進(jìn)行仿真與運(yùn)動軌跡的規(guī)劃。

1 六自由度機(jī)械手建模

1.1 六自由度機(jī)械手設(shè)計原理

機(jī)械手運(yùn)動的方式有上下升降、伸縮以左右旋轉(zhuǎn)等,能夠獨(dú)立操作的運(yùn)動方式稱為機(jī)械手的自由度。在機(jī)械手的設(shè)計中，自由度是一項關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)，當(dāng)自由度的運(yùn)動方式越多，機(jī)械手的靈活度就越高，適用的范圍也就越廣，相對應(yīng)的內(nèi)部設(shè)計結(jié)構(gòu)也就越復(fù)雜。本文根據(jù)機(jī)械手的使用方向、設(shè)計成本以及技術(shù)難點(diǎn)等關(guān)鍵因素，選擇設(shè)計的機(jī)械手自由度為六個，末端執(zhí)行器能夠自由變化，完成物體的抓取、移動以及擺放等操作.

1.2 機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計

機(jī)械手系統(tǒng)由六部分組成，六自由度機(jī)械手的關(guān)節(jié)設(shè)計分別由不同的型號伺服電機(jī)與步動電機(jī)組成，構(gòu)成了轉(zhuǎn)動和移動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角θz1、θz2范圍分別為0°～360°、45°～180°，移動范圍D1為0～220mm。現(xiàn)有一個完全靜止的物體，三維坐標(biāo)已經(jīng)確定，機(jī)械手需要對其進(jìn)行抓取，在抓取時底座驅(qū)動機(jī)通過傳動齒輪實現(xiàn)減速，使機(jī)構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動；確定抓取的物體后，旋轉(zhuǎn)臂與機(jī)械手形成角度差，伸縮臂驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動伸縮臂進(jìn)行移動，確定抓取物體與機(jī)械手的方向差；伺服電機(jī)需要通過減速機(jī)構(gòu)，帶動轉(zhuǎn)動臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)并確定角度，執(zhí)行器根據(jù)電磁力完成后續(xù)物體抓取操作[2]。

1.3 基于Proe軟件對機(jī)械手進(jìn)行建模

利用Proe軟件對機(jī)械手進(jìn)行建模后得到機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，機(jī)械手的整體系統(tǒng)架構(gòu)中包含了底座、旋轉(zhuǎn)的電機(jī)、減速的機(jī)構(gòu)、中心的齒輪以及坐標(biāo)軸的伸縮方向等。

2 基于Proe的六自由度仿真設(shè)計

在Proe建模軟件中建立機(jī)械手的每一個零件三維模型，進(jìn)行裝配連接，然后進(jìn)入到Proe模塊中進(jìn)行運(yùn)動仿真設(shè)計[3]。首先構(gòu)建機(jī)械手的模型，如圖1所示，然后進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的仿真分析，觀察末端執(zhí)行器的運(yùn)動狀態(tài)以及速度的變化；其次，根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷機(jī)械手設(shè)計是否合理。在Matlab中，對機(jī)械手進(jìn)行構(gòu)建主要是采用的Link函數(shù)，根據(jù)D-H的參數(shù)與各個關(guān)節(jié)對應(yīng)的類型進(jìn)行構(gòu)造，

圖1 六自由度機(jī)械手模型

在對伺服電機(jī)進(jìn)行設(shè)置時，要保持電機(jī)轉(zhuǎn)動方向與轉(zhuǎn)角方向一致，在軟件中主要通過“時間—位置”功能定義伺服電機(jī)系統(tǒng)，使用Matlab算出每一個關(guān)節(jié)的軌跡范圍，并根據(jù)時間進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入，定義機(jī)械手的最初位置。同時，根據(jù)運(yùn)動仿真位置，設(shè)定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，進(jìn)行運(yùn)動分析，設(shè)置相應(yīng)運(yùn)動參數(shù)，其中時間設(shè)置為15s。運(yùn)動仿真結(jié)束后根據(jù)運(yùn)動仿真的結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動學(xué)的分析，保證兩者運(yùn)動軌跡能夠保持基本一致，驗證機(jī)械手運(yùn)動仿真的正確性。最后將Matlab與Proe相互結(jié)合，對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計，利用Matlab強(qiáng)大的運(yùn)算功能與Proe的三維建模功能，完善機(jī)械手運(yùn)動仿真功能。

3 基于Proe的六自由度運(yùn)動軌跡的規(guī)劃設(shè)計

機(jī)械臂的末端執(zhí)行器需要根據(jù)不同軌跡規(guī)劃進(jìn)行不同形式的插補(bǔ)工作，基于兩點(diǎn)之間的插補(bǔ)要求，機(jī)械手末端執(zhí)行器的運(yùn)動軌跡設(shè)計要求非常嚴(yán)格。本設(shè)計采用坐標(biāo)系設(shè)計法對運(yùn)動軌跡進(jìn)行規(guī)劃：首先，設(shè)定機(jī)械手的起點(diǎn)為A（400，0，-300），關(guān)節(jié)角度為 q1=（0，0，0，0，0，0）進(jìn)行直線插補(bǔ)運(yùn)動，移動到點(diǎn)B（-211.414，465.130，39.17），關(guān)節(jié)角度為q2（2，1，0.5，0.02，0.01）；其次，進(jìn)行直線插補(bǔ)程序編寫，所用函數(shù)為ctraj，建立相應(yīng)直角坐標(biāo)系，進(jìn)行直線插補(bǔ)仿真運(yùn)動，當(dāng)仿真時間從間隔15s變?yōu)?.05s后，機(jī)械手開始移動。

4 六自由度軌跡規(guī)劃的對比分析

六自由度工業(yè)機(jī)械手中有一種自動電焊機(jī)設(shè)備，通過移動自由度的方式進(jìn)行焊接工作，完后再進(jìn)行其他點(diǎn)的操作，如果焊點(diǎn)的位置已經(jīng)確定，但是順序不確定，機(jī)械手軌跡規(guī)劃就要重新選擇最短路徑，將所有要焊接的點(diǎn)通過最短路徑進(jìn)行連接[4]。接下來利用智能優(yōu)化算法對軌跡規(guī)劃進(jìn)行實驗，不用智能算法之間存在一定差異，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 運(yùn)動所得實驗數(shù)據(jù)

對比表1中的三種智能算法，可以得出蟻群算法的精度最好，模擬退火算法優(yōu)解概率最高，而禁忌搜索算法在各方面都不太完善。總之，通過不同智能算法對機(jī)械手軌跡規(guī)劃以及仿真運(yùn)動進(jìn)行分析，能夠選取出更加穩(wěn)定的設(shè)計方案，對工業(yè)實踐具有重要意義。

5 結(jié)語

本文主要采用了Proe對六自由度機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計，對機(jī)械手進(jìn)行仿真分析，以便能夠清晰地觀察執(zhí)行器在最尾端的運(yùn)動狀態(tài)，并且根據(jù)各部件移動及速度的變化情況，判斷機(jī)械手設(shè)計是否合理。在關(guān)節(jié)坐標(biāo)系中對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動軌跡的規(guī)劃，不管是直角坐標(biāo)系還是關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，其軌跡規(guī)劃在插補(bǔ)的過程中都對機(jī)械手尾端沒有影響，運(yùn)動軌跡平穩(wěn)，速度變化十分連貫，沒有任何跳躍情況，滿足機(jī)械手軌跡規(guī)劃設(shè)計要求。