織網機自動換梭盤機器人運動仿真

2020-12-15 12:37:36羅銀杰郝志昌明燦坤孫志軍

毛紡科技 2020年11期

羅銀杰，孟婥，郝志昌，明燦坤，孫志軍

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

隨著科學技術的飛速發展，現代織網機也在近些年有了大幅度的改進，織網機正朝著機器高速化、控制現代化、操作便利化等方面發展。其中，投放使用工業機器人可實現織網機梭盤的自動取放，節省人工和提高生產效率。

機器人的運動學分析是機器人機構分析的前提和基礎, 為后續織網機自動換梭盤機器人的運動與控制提供了理論依據。近年來，由于計算機技術與仿真技術的飛速發展，國內外不少學者對機器人仿真技術進行了研究，Dollarhide等[1]應用DELMIA/IGRIP軟件對機器人進行建模并完成仿真，實現對機器人的實時監控。康嘉瑞等[2]運用Simulink仿真技術對空間機器人逆運動學進行了研究。王成軍等[3]采用笛卡爾空間變量法對鑄件機器人工作過程中的運動軌跡進行規劃。王玉寶等[4]采用粒子群算法對工業機器人進行空間軌跡時間優化。廖解能等[5]基于Solidworks-Workbench平臺建立桁架機器人仿真模型，通過靜力學分析與模態分析，提取出桁架機器人的固有頻率，大大提高了桁架機器人的使用壽命。李瑾[6]利用MatLab工具箱，針對Puma 250機器人,對其運動特性進行研究分析，并給出了機器人運動軌跡仿真方法。李振雨等[7]以Puma 560機器人為研究對象，建立其運動學方程并進行仿真研究，實現了工業機器人的精確作業。涂鵬飛等[8]采用離線編程技術來規劃噴涂軌跡，大大提高了工件的噴涂效率。王林軍等[9]基于MatLab對ABB IRB 1660機器人進行了運動學仿真研究。上述研究中普遍對于經典機器人進行了仿真研究，較少定位于實際現場環境。本文以織網機換梭盤工作過程為載體，設計機器人末端執行機構，基于MatLab Robotics Toolbox模塊中的功能函數，建立織網機自動換梭盤機器人仿真模型，并對其進行運動學仿真和空間運行軌跡仿真，為在實際操作環境中機器人精確定位提供理論依據，對實現企業中織網機梭盤更換自動化具有一定的研究意義。

1 織網機及其換梭盤流程

織網機是生產網具用品的機械裝備，目前企業中較多沿用或仿制20世紀的老式織網機，織網機更換梭盤主要由人工手動完成。隨著先進織網機的研發，設計了配套的機器人換梭盤系統。織網機自動換梭盤系統見圖1，該系統主要由換梭盤機器人和機器人末端執行機構組成，其中末端執行機構一端與機器人末端固聯，另一端插入梭盤，通過末端執行機構上的錐齒與梭盤內圈配合，末端執行機構插入與抬起梭盤時的狀態見圖2，隨著換梭盤機器人的運動帶動末端執行機構，將織網機上空梭盤取出并將裝滿線的梭盤放入梭箱。

圖1 織網機自動換梭盤系統

圖2 末端執行機構插入與抬起梭盤時的狀態

依據負載、成本等因素選擇ABB IRB 6700-200/2.60空間六自由度機器人作為換梭盤機器人，機器人各關節主要運動參數見表1。自動換梭盤機器人工作流程見圖3。

表1 機器人各關節運動最大速度與范圍

圖3 自動換梭盤機器人工作流程圖

在機器人換梭盤流程中，機器人將一段梭盤從織網機上抬起，定義此時機器人的空間位姿為T1，并水平旋轉180°，使機器人末端朝相反方向，目的是將空梭盤依次放入梭箱中，定義此時機器人的空間位姿為T2，這2個空間位姿是完成梭盤取放的關鍵。在實際操作中，為保證換梭盤效率，通過控制換梭盤機器人的轉角速度，使其能夠在足夠短的時間內由位姿T1平滑過渡到T2。

2 機器人運動學仿真

2.1 仿真模型建立

用虛擬樣機對機器人進行運動仿真，首選需要對機器人的仿真模型進行構建。本文通過MatLab中的 Robotics Toolbox模塊建立了機器人驅動器仿真模型并命名為自動換梭盤機器人，此時換梭盤機器人處于從織網機上抬起梭盤時的位姿，即位姿T1，機器人各關節轉角為q0=[0 0 0 0 0 0]，機器人抬起梭盤時位姿仿真模型見圖4。

圖4 三維平面內機器人抬起梭盤時位姿仿真模型

2.2 逆運動學仿真

機器人運動學包括了正向運動學和逆向運動學。在此對換梭盤機器人的逆向運動學進行仿真分析，逆向運動學是已知機器人末端執行器的位姿求其各關節角度。當換梭盤機器人從織網機上抬起一段梭盤在空間上旋轉180°后，即到達位姿T2時，此時機器6個關節轉角為q1=[0 π/4-π/4 π π/4 π/2]，通過MatLab編程得出機器人在此關節轉角下的末端執行器位姿矩陣為G，且

通過換梭盤機器人末端執行器的位姿矩陣G,使用ikine功能函數編程得出了T2位姿下機器人的有一組關節角度為

q2=[0.538 4 0.538 4 -1.266 0 -1.042 7 1.275 3 1.242 9]

由上發現，q1與q2這2組關節角度完全不同，經過仿真發現不同的2組關節角度可以得到換梭盤機器人相同的位姿T2。這是機器人逆運動學的一個特點，證明了某時刻空間機器人任意位姿可以由多組不同關節角度構成。q1與q2這2組關節角度分別對應的位姿模型見圖5。

圖5 關節角q1和q2對應機器人呈現相同的位姿

3 機器人軌跡規劃及仿真

3.1 機器人運動軌跡規劃

機器人學中最常見的要求之一是把機器人末端執行器由位姿1平滑過渡移到位姿2。所謂軌跡規劃，是指機器人在工作要求下對其運動過程中的位移、速度、加速度等運動參數進行規劃[10]。本文采用機器人關節空間中軌跡規劃的方法，完成機器人各關節角速度、角加速度、角加加速度的約束與求解。為了驗證機器人能達到換梭盤的工作要求，即換梭盤機器人理論上能夠足夠快地由T1位姿平滑地過渡到T2位姿，采用7次多項式插值，通過MatLab規劃關節空間軌跡。實際運行中換梭盤機器人的2個關鍵位姿T1和T2分別對應的轉角為q0=[0 0 0 0 0 0]和q1=[0 π/4 -π/4 π π/4 π/2]；表1給出了換梭盤機器人由位姿T1運動到T2時各關節轉角變化，通過換梭盤機器人各關節最大轉速和關節轉角變化這2個參數可求出機器人在2個位姿之間過渡的時間，這個時間就是換梭盤機器人從位姿T1運動到T2理論上的最短時間，也是換梭盤機器人軌跡仿真時的終止時間，計算得出各關節的最短時間見表2。