智能制造系統的6R 工業機器人仿真和監控平臺建設與應用分析

陶 婕，崔寶光

（陜西工商職業學院，陜西 西安 710119）

6R 工業機器人已經廣泛地滲透到社會各個經濟領域，成為社會制造生產不可或缺的機械設備。隨著人們對智能制造系統要求的提升，要求開發出具有更高仿真性能的工業機器人。而智能制造系統的6R 工業機器人正是當前市場中應用最廣泛的工業機器人設備，如何提高智能制造系統的6R工業機器人的仿真技術成為社會各階層普遍關注的課題之一。本文正是基于對工業機器人的運動學模型等相關理念的研究基礎，展開對智能制造系統的6R 工業機器人仿真和監控平臺設計和實現應用。本文通過D-H 方法建立起6R 機器人的運動模型，在此基礎上利用牛頓-歐拉法理論得到6R 機器人的柔性動力學方正，由此建立起6R 工業機器人的剛柔耦合仿真模型。與此同時，還通過無線通信技術，在6R 工業機器人上構建起遠程監控平臺，從而展開6R 工業機器人更加高質量、高效率的操作應用。

1 智能制造系統的6R 工業機器人的仿真系統構建

1.1 智能制造系統的6R 工業機器人的簡介

隨著社會生產力的發展，工業機器人憑借自身的動力和控制能力，能夠高效率替代人工展開一系列重復性的生產制造工作，如機械加工、汽車制造等。在傳統的人工智能技術下，工業機器人的運動性能可靠性仿真性能并不高，無法完成高精度、高速、高效率的生產制造工作。而基于智能制造系統的6R 工業機器人其擁有6 關節，第一個關節能夠實現水平面的旋轉運動；兩個大的機械臂關節能夠實現垂直平面周旋轉運動；另外兩個小機械臂以及機械腕部關節，使得工業機器人能夠實現三維空間上的運動。這意味著6R 工業機器人能夠以任意方向拿起物品將其以任意的角度放在制定的位置。可以說，智能制造系統的6R 工業機器人具有更高的應用效應。但同時，對于工業機器人運動強度、運動性能等相關問題的研究可以發現，6R 工業機器人在應用中其運動柔性不高、穩定性不高等仿真技術不佳的情況，因此本文展開對智能制造系統下的工業機器人的仿真和監控平臺的設計和實現研究具有重要意義。

1.2 智能制造系統的6R 工業機器人的運動模型分析

智能制造系統的6R 工業機器人運動擺脫了傳統工業機器人所具有的剛性較差、應用中穩定性不高等問題。因此有必要展開對智能制造系統的6R 工業機器人的柔性動力學建模，進行相應的模態分析。

1.2.1 智能制造系統的6R 工業機器人模型及坐標系建立

擁有智能制造系統的6R 工業機器人，其模型構建主要是借助三維可視化的CAD 軟件實現，其硬件設計主要是由底座、大小臂和手腕組成，還帶有6 個可獨立活動的腰部、肩部、肘部和腕部關節。

根據D-H 參數法，可以為機器人的各個桿件建立局部坐標系，如圖1 所示。

圖1 6R 工業機器人的局部坐標系

1.2.2 智能制造系統的6R 工業機器人的運動模型建設

根據對該6R 機器人的各種坐標的整理和分析，可以整理得到整個機器人的D-H 參數情況，通過D-H 參數情況可以直接推算出機器人的正運動學模型。本文以機器人柔度模型確定為例展開具體的分析計算。例如在機器人關節柔度模型設計中，為了達到對工業機器人的末端執行器的精確控制，通過大剛度、高傳動精度的減速器（諧波減速器等）同工業機器人進行串聯，并且將其連接伺服電機和關節運動。如此達到對末端執行器的位姿的控制調整。另外還有工業機器人的運動柔性臂桿運動學模型、機器人關節角度速度以及執行端速度運動模型建立等。本文不一一闡述。

1.3 智能制造系統的6R 工業機器人的運動仿真技術分析

通過分析設計智能制造系統的6R 工業機器人的運動學模型，進行相應的數值分析和計算之后，需要將其運動過程中的這些運動學算法理論等融合到仿真過程中，從而切實地提高6R 工業機器人的實際應用價值。因此本文主要是采用ADAMS 軟件平臺進行6R 工業機器人的運動可靠性仿真分析。

ADAMS 軟件平臺是一種最具權威性的機械系統運動學、動力學仿真分析軟件，其能夠通過建模、計算的方式，完成對6R 工業機器人的運動柔性、可靠性等仿真分析。在具體的仿真實驗中，借助ADAMS 軟件展開6R 工業機器人的虛擬樣機構建，對工業機器人的各個關鍵部位進行參數化操作，從而得到所需要的參數化仿真模型，這樣就可以實現對6R 工業機器人運動參數設計可靠性、柔性化的仿真分析。最終對大量的仿真數據進行統計處理，編織起符合6R 工業機器人可靠度的計算模塊，便于6R 工業機器人的實際操作控制的精準度。

2 智能制造系統的6R 工業機器人的監控平臺建設

無線監控系統是6R 工業機器人系統的重要組成模塊，通過構建起遠程監控系統平臺，能夠展開對6R 工業機器人的高效運動控制。按照智能制造系統的6R 工業機器人的監控平臺應用現狀可知，其系統平臺設計主要由硬件模塊和軟件系統組成，具體如下。

2.1 6R 工業機器人監控平臺的硬件設計

2.1.1 控制器選擇

在智能制造系統中，無論是何種監控系統，其建設和應用都需要依托于各種信息傳感器，需要獨立的PC 機等硬件設備。本文主要是分析監控系統的控制器設備的建設。控制器直接影響到6R 工業機器人運動的準確性和穩定性，在智能制造系統的6R 工業機器人監控平臺中，主要是采用多軸控制器設備，這是一款具有高性能的可編程多軸控制器，具有較高的通信效率。如采用PMAC2-PC104 控制器，其具有可任意設置的I/O 接口，能夠接收多個傳感器狀態信號，實現監控通信的及時性和全面性。

2.1.2 監控平臺系統設計

監控平臺系統還需要由上位機、無線出網絡設備和下位機組成。上位機主要采用無線串口服務器WDS203，下位機為移動機器人和WDS203，只需要利用交叉線就可以將兩者的串口連接起來，實現對6R 工業機器人的監控系統應用。無線通信標準主要是選擇802.11b 作為標準無線技術，其傳輸速度較快，且在受到信號干擾等情況下，帶寬也可以自動調整到1 mb/s，整體上保證了監控平臺信息傳輸的穩定性和可靠性，更重要的是采用該無線通信標準，其信息有效傳輸的距離較長，具有較高的兼容性，能夠實現遠程的信息傳輸，具有同有線局域網一樣的應用優勢。

2.2 智能制造系統的6R 工業機器人的監控平臺功能模塊設計

人機交互的可視化環境主要是指能夠搭建起技術人員可監控的影像資料，能夠直接觀察到工業機器人的各個操作步驟流程。在智能制造系統的6R 工業機器人可視化環境設計中，主要是借助建模軟件建立起1∶1 的三維模型，然后在三維模型中，對于機器人的機械臂和末端控制器等的空間位置和運動狀態進行直觀地描述，如此更加直觀地呈現出工業機器人的各個部件之間的運動學關系。展開對工業機器人運動操作時，僅僅需要通過對虛擬的可視化模型進行從屬關系、運動屬性的參數設置，就可以得到同實際生產制造中相應的運動效果。

3 結束語

綜上所述，隨著智能信息技術和無線通信技術的進一步發展，機械化同無線通信技術的有機結合，進一步提高6R工業機器人的柔性程度。可以說工業機器人的柔性程度和仿真技術取決于對工業機器人系統的運動學模型的設計和應用，只有運動可靠性較高的6R 工業機器人才能夠完成高質量的仿真。因此，展開對6R 工業機械人的仿真和監控平臺建設與應用探討具有現實意義和理論意義。