基于Simulink 對機械臂可視化上料研究*

于資江 李存志 于 菲 謝愛軍 劉國梁

（①青島征和工業(yè)股份有限公司，山東 青島 266700；②威海機械工程高級技工學校，山東 乳山 264500；③青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266700）

自動上料是指在生產(chǎn)過程中，通過自動化設(shè)備將原材料或半成品自動地送入生產(chǎn)線或機器設(shè)備中[1]。這可以通過各種方式實現(xiàn)，例如自動送料機器人、物料輸送系統(tǒng)、自動提升設(shè)備等。自動上料技術(shù)的應用可以提高生產(chǎn)效率，減少人力投入，并且減少了人為錯誤和勞動強度。目前大多數(shù)鏈條裝配機仍采用人工上料方式，由于裝配機篩分器放置位置較高，工人需要踩著凳子將零件舉至頭頂處進行加料，如圖1 所示，增加了人工勞動和勞動強度，同時也增加了作業(yè)風險和作業(yè)疲勞。

圖1 現(xiàn)場人工上料圖

秦磊等人開發(fā)的適用于齒輪機床的自動上料對齒方法， 由上料手爪夾持著待加工齒輪實現(xiàn)加工[2]。金燕等人針對批量加工皮帶輪用圓盤類零件中人工上下料問題，設(shè)計了一種經(jīng)濟型數(shù)控車床適用的自動上下料方案，有效提高了生產(chǎn)自動化程度[3]。靳江艷等人以某型號飛機部件裝配型架為研究對象，面向裝配工藝裝備精確安裝需要，應用數(shù)字孿生技術(shù)的相關(guān)技術(shù)理念，構(gòu)建基于數(shù)字孿生的裝配過程模型，實現(xiàn)可視化裝配工藝指令指導實際裝配過程[4]。

通過采用自動上料技術(shù)，可以提高企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、加速制造流程、提升技術(shù)水平，從而促進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，打造具有核心競爭力的新興產(chǎn)業(yè)。因此自動上料技術(shù)的應用具有重要的戰(zhàn)略意義，鑒于此本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合Gluon 機械臂，用Simulink 構(gòu)建實時可監(jiān)控的自動上料平臺。

1 運動學分析

1.1 Gluon 機械臂連桿坐標軸的建立

Gluon 機械臂連桿坐標系如圖2 所示，采用標準D-H 方法[5]對Gluon 機械臂建立每個連桿進行坐標軸建立，每個桿件的D-H 連桿參數(shù)見表1[6-7]。

表1 Gluon 機械臂H-D 參數(shù)表

圖2 Gluon 機械臂坐標系布局圖

1.2 正運動學分析

根據(jù)建立的已知連桿坐標系和相應的連桿參數(shù)，代入相鄰坐標系之間的齊次變換矩陣式（1）中，求得相鄰各連桿之間變換矩陣，再將各連桿變換矩陣相乘可得到工具坐標系相對于基坐標的變換矩陣，即當前工具坐標系的姿態(tài)矩陣為式（2）。

式中：

式中：c12=cos（θ1+θ2） ；s12=sin（θ1+θ2）；c56=cos（θ5+θ6） ；s56=sin（θ5+θ6） ；c123=cos（θ1+θ2+θ3） ；s123=sin（θ1+θ2+θ3）； ci=cosθi，si=sinθi，i∈[1,2,3,4,5,6]。

1.3 逆運動學分析

逆運動學是末端執(zhí)行器的正運動學的逆過程[8-9]，即通過已知的工具坐標相對于基坐標的X、Y、Z值，求出到達該位置所需每個關(guān)節(jié)角度變量。即可求得每個關(guān)節(jié)角度變量。

根據(jù)表1 可知 ，利用Matlab Robotic Toolbox 建立對應的機器人模型，將 θ1、 θ2、 θ3、 θ4、 θ5和 θ6都設(shè)置為60°。根據(jù)給定的關(guān)節(jié)角，使用Matlab 中的fkine 正解函數(shù)，求解出末端姿態(tài)PX=-40.44 mm、PY=42.42 mm 和PZ=94.02 mm。 使用Matlab 中的ikine 逆解函數(shù)，將末端位姿PX=-40.44 mm、PY=42.42 mm 和PZ=94.02 mm 代入，最后求得 θ1、 θ2、θ3、 θ4、 θ5和 θ6都為60°。

經(jīng)過正逆解的具體求值驗證，機器人模型的正確性得以確認，從而可以進行機器人的運動學仿真。在后續(xù)采用機器視覺獲取目標坐標的過程中，逆運動學求解函數(shù)可用于計算各個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，以實現(xiàn)機器人的自主控制。這個過程能夠幫助機器人根據(jù)目標位置進行精確的運動規(guī)劃和執(zhí)行。

2 仿真平臺搭建

2.1 仿真流程（圖3）

SolidWorks 軟件所生成關(guān)節(jié)坐標軸和坐標系模型主要為了能夠使用Matlab 中自帶的一些機器人FK 以及動力學方程函數(shù)，以便減少工作量。

Simulink 軟件主要是使機器人機構(gòu)可視化，方便仿真時觀察模型如何運動和各模擬量相應的實時變化。

2.2 機械臂Simscape 模型的導出

將機械臂三維模型導入到SolidWorks 后，在工具菜單欄添加Simscape Multibody Link 插件，該插件能夠?qū)olidWorks CAD 組件導出urdf 文件和相應的幾何文件。將urdf 文件導入Matlab 會使用幾何文件創(chuàng)建三維模型實體，且質(zhì)量、慣性和重心的位置自動轉(zhuǎn)移到模擬模型中。模擬滿足機械系統(tǒng)的動力要求，而且可以優(yōu)化系統(tǒng)的性能。導出urdf 文件后，使用Matlab 命令窗口中輸入smimport 指令，生成Simscape 物理模型。

2.3 搭建機械臂Simscape 物理模型

生成的單關(guān)節(jié)Simscape 模型有一個基本模塊和一個剛體坐標變化模塊，基本模塊中B 端口為基礎(chǔ)框架，F(xiàn) 端口為從動框架，q 端口為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角度位置傳感端口，w 端口為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角速度傳感端口。使用SolidWorks 導入，調(diào)整各桿件長度參數(shù)，添加相鄰桿件接觸力、摩擦力和重力參數(shù)。單關(guān)節(jié)Simscape 框圖如圖4 所示。

2.4 搭建電機驅(qū)動Simscape 物理模型

根據(jù)已知機器臂的結(jié)構(gòu)，在每個關(guān)節(jié)處添加一個步進電機模型如圖5 所示。在Simulink 中步進電機模型輸出的是位置信號，不需要編譯器進行監(jiān)測，所以可以滿足角度輸出的要求，而且給到的PWM信號通過步進電機模型可以輸出相應的扭矩。

對步進電機模型進行測試，確定模型能否使用，將初始化角度設(shè)定參數(shù)為0，給定輸入旋轉(zhuǎn)角度為30°，通過scope 模塊查看仿真效果如圖6 所示，確認電機模型輸出與輸入相同，測試無誤，符合機械臂設(shè)定的工作需求。

圖6 旋轉(zhuǎn)角度與時間曲線

2.5 搭建末端執(zhí)行器位姿顯示模型

在Simulink 中選擇Transfom Sensor 模塊，該模塊可以監(jiān)測模型中的運動變量。在基準框架端口B 連接末端執(zhí)行器的剛體變換模塊，在屬性下的可擴展節(jié)點中，選擇旋轉(zhuǎn)和平移。通過轉(zhuǎn)換器將物理信號轉(zhuǎn)換出實際的數(shù)字信號，再將轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號通過Display 模塊顯示，顯示出的矩陣就是末端執(zhí)行器在該位置的平移和旋轉(zhuǎn)矩陣，如圖7所示。

圖7 Display 位姿顯示框圖

2.6 上料系統(tǒng)界面

將上述各個模塊進行封裝，設(shè)計軟件顯示界面。界面上實時展示上料系統(tǒng)的狀態(tài)信息，如機器人的當前位置和運動狀態(tài)等，以便用戶能夠清楚地了解系統(tǒng)的運行情況。為了實現(xiàn)靈活的控制和調(diào)整，還需要提供操作控制功能，例如啟動、停止、位姿識別和調(diào)整運動速度等。此外，界面上還能夠及時顯示異常信息提示，如受力異常和電機異常等，以便用戶能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理問題。為了進行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化，提供數(shù)據(jù)記錄和分析功能，將上料系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)保存并展示給用戶，如圖8 所示。

圖8 上料系統(tǒng)界面圖

3 仿真實驗

設(shè)定視覺模塊獲取目標拾取物坐標位置（121.3,183,26.6），上料系統(tǒng)開始拾取目標物體。通過仿真結(jié)果輸出，得到每個關(guān)節(jié)相應的動作與時間關(guān)系圖，圖9 和圖10 分別為關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2 和關(guān)節(jié)3 的時間與步數(shù)關(guān)系曲線和時間與角速度關(guān)系曲線，當軸進入當前步長時，角速度圖上就會顯示出尖峰，出現(xiàn)尖峰即表明關(guān)節(jié)正在運動；當關(guān)節(jié)完成該指令動作后，角速度圖中尖峰消失，關(guān)節(jié)停止運動。尖峰顯示均勻表明運動平穩(wěn)沒有突變機械臂在正常運行。

圖9 各關(guān)節(jié)步數(shù)曲線

圖10 各關(guān)節(jié)角速度曲線

當機械臂運動時，可隨時觀測末端執(zhí)行器的位姿矩陣。獲取了兩組時間與末端執(zhí)行器的位姿矩陣，當時間為7.5 s 位姿1 和13.4 s 位姿2 機械臂位姿如圖11 所示，位姿的旋轉(zhuǎn)和平移矩陣見表2。

表2 模型位姿矩陣參數(shù)

圖11 機械臂位姿顯示

通過仿真結(jié)果顯示，監(jiān)測平臺能夠?qū)崟r觀測機械臂每個關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和角速度，以判斷關(guān)節(jié)是否在運動以及運動速度和加速度是否符合要求。同時，通過實時顯示末端執(zhí)行器的位姿矩陣，可以判斷機械臂的運動軌跡是否符合要求。這樣，監(jiān)測平臺可以完成對機械臂的實時監(jiān)測。

4 結(jié)語

本文介紹了基于Gluon 機械臂的三維可視化人機交互平臺模型的構(gòu)建過程。首先進行了Gluon 機械臂的正運動學分析和逆運動學驗證，通過Simulink建立了控制系統(tǒng)模型，并實現(xiàn)了對機械臂的聯(lián)合仿真。在仿真過程中，通過直觀的圖形化界面，實時顯示各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度、角速度以及末端執(zhí)行器的齊次變換矩陣，方便用戶實時查看設(shè)備狀態(tài)、調(diào)整參數(shù)和進行操作。此外，采用先進的機械臂控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要掌握不同的動作軌跡和速度，具備更高的靈活性和適應性。

為提高自動上料平臺的生產(chǎn)效率，可引入機器視覺模塊。通過智能識別系統(tǒng)，自動上料平臺能夠迅速識別不同類型和尺寸的待加工零件，并自動將其傳送到加工位置，有效縮短操作時間。同時，后期搭建實物平臺也提供了可行性支撐，為進一步優(yōu)化和完善系統(tǒng)功能奠定了基礎(chǔ)。