多自由度工業(yè)機械手臂的機械結構設計-關節(jié)式四自由度含開題、SW三維仿真及12CAD圖,自由度,工業(yè),機械,手臂,結構設計,關節(jié),開題,SW,三維,仿真,12,CAD 學 號： 外文出處： 2020 J.Phys.：Conf.Ser. 1574 012156 六自由度機械手的路徑規(guī)劃仿真 Junhao Zhang, Xingbo Yang, Yawei Li and Ningbo Zhang College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, China Corresponding author e-mail: 728589910@qq.com 摘要：隨著制造業(yè)自動化和智能技術的發(fā)展，工業(yè)機器人已成為智能化工廠的重要組成部分。在實際應用中，所實現(xiàn)的所有功能均由機械手實現(xiàn)。事實證明，合理的機械手路徑規(guī)劃有助于減少機械零件在運行過程中的損失和沖擊，大大提高機械手的使用壽命，也有助于提高機械手的控制精度。本文以六自由度機械臂為研究對象，設計了該機械臂的運動路徑規(guī)劃方案，并通過PVDF材料動態(tài)仿真實驗進行了驗證。 結果表明，本文設計的機械手運動路徑比最短路徑抓取材料所需的時間更少，操作精度更高。 關鍵詞：機械手；動態(tài)仿真；運動路徑 1. 引言 近年來，隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”計劃的提出，制造業(yè)正朝著智能化發(fā)展。工業(yè)機器人已成為現(xiàn)代智能工廠中不可或缺的設備，主要適用于快速，準確和重復的工作。機械手的軌跡決定了生產(chǎn)和制造的質量。為了使機器人在未知的工作環(huán)境中按預期方式運動并高效穩(wěn)定地完成工作，需要提高機械手的操作精度。本文以六自由度操縱器為研究對象，并利用MATLAB軟件對其運動路徑進行了仿真規(guī)劃研究。 2. 六自由度機械手的運動學分析 在機械手的正向和反向運動期間，坐標系會發(fā)生變化，因此有必要沿X軸和Z軸執(zhí)行旋轉，平移和其他處理，以獲得新的坐標系并使用齊次變化矩陣來求解。 以下是從{Oi-1} 坐標系到{Oi }坐標系的轉換，轉換順序如下： （1） 以為軸旋轉坐標系，旋轉角度為，且X軸方向變化前后保持不變; （2） 以為軸進行坐標系平移處理，移動距離為，X軸方向不變前后保持不變； （3） 沿軸方向平移，移動距離為 ，{Oi-1}坐標系的原點與{Oi }坐標系的原點重合； （4） 坐標系以為軸進行旋轉，旋轉角度為，Z軸方向變化前后保持不變。 按照上述步驟進行處理后，將{Oi-1}坐標系轉換為{Oi }坐標系，得到的齊次變換矩陣如下： （1） 本文研究的六自由度機械手的D-H參數(shù)如表1所示。 表1.機器人機械手的D-H參數(shù) 關節(jié)數(shù)量 1 90 160 0 2 0 350 0 3 90 130 0 4 -90 0 425 5 90 0 0 6 0 0 133.5 將表1中的參數(shù)代入齊次變換矩陣，計算相鄰關節(jié)變換矩陣的乘積，得到機械手的前向運動值。 （2） 逆向運動解的原理與正向運動解的原理相同。通過坐標轉換處理，將參數(shù)值代入得到，這里不再贅述。 3. 機械手的軌跡規(guī)劃 機械手的軌跡規(guī)劃可以以起點和終點運動形成的關節(jié)角為分析對象，通過構造插補函數(shù)展開描述。例如，設置四個約束條件來約束關節(jié)運動的起點和終點，以保證形成的軌跡是連續(xù)的。一般使用下面的三次多項式來描述。 （3） 推導式(3)可以得到機械手運動的速度和加速度，將得到的結果代入初始條件，得到各參數(shù)值，從而得到運動軌跡函數(shù)。 三次多項式軌跡規(guī)劃相對簡單，適用于工件夾持方式相對單一的情況。由于某些工程加工制造涉及的工件類型較多，本文研究了機械手關節(jié)空間的運動軌跡，介紹了擺線曲線規(guī)劃方法，針對較復雜的工作條件規(guī)劃了空間運動軌跡。該規(guī)劃方法生成的運行軌跡相對穩(wěn)定，不存在抖動。在有限的區(qū)間內(nèi)，如果目標點在終點位置，得到的加速度和速度均為0，大大降低了軌跡規(guī)劃的難度。重點規(guī)劃對象是起點和焦點，減少了中間運動過程的規(guī)劃。 4. 六自由度機械臂PVDF桿抓取運動路徑規(guī)劃的仿真實驗 本文以PVDF抓桿運動為例，對機械手運動路徑規(guī)劃進行了仿真實驗研究。根據(jù)棒材制造和搬運的要求，設計了物料搬運任務，明確了機械臂夾持運動任務，規(guī)劃了運動路徑，并在搭建的仿真平臺上對機械臂的運動路徑進行了仿真。通過觀察仿真結果，判斷路徑規(guī)劃方案能否有效控制機械手的操作，完成抓取物料的任務。 4.1抓取任務 在本次仿真實驗設計中，部署了抓取單個目標材料和抓取多個目標材料兩種抓取任務，并采用“最短路徑”方法作為對照組。 (1) 單目標材料抓取任務選擇PVDF桿作為抓取目標材料，分別將材料懸掛到10個不同的位置，固定機械手的空間位置，模擬機械手抓取這10個目標材料所花費的時間。 (2) 多個目標物料抓取任務選擇PVDF桿作為抓取目標物料，機械手的空間位置固定。設計了五套測試實驗。材料個數(shù)依次為2、3、4、5、6，模擬測試單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。 4.2運動路徑規(guī)劃 在PVDF桿的加工制造過程中，機械手可能面臨多重抓取任務。為了提高機械手的操作效率，需要保證關節(jié)角加權值為最小。因此，實驗路徑規(guī)劃基于關節(jié)角加權最小的原理，設計相應的運動路徑函數(shù)。用數(shù)學語言描述PVDF棒材加工制造機械手的運動:若機械手在執(zhí)行抓取任務時處于位置，則需要抓取的物料個數(shù)為n，放置物料的空間位置分別標為，計算六自由度關節(jié)空間變量，根據(jù)機械臂能耗最小的原則，規(guī)劃抓取順序，并按照抓取順序完成所有物料的抓取。最優(yōu)抓取路徑的生成以機械臂的旋轉角度總和最小為前提，得到單關節(jié)時間消耗和能量消耗最小的目標函數(shù)。忽略其他因素，能量消耗最小耗時最小，多個關節(jié)完成抓握操作累積耗時結果[11]。以下是抓取路徑規(guī)劃的最佳功能: （4） 式(4)中，P為目標函數(shù)，即反應能量消耗;n為通過的空間點個數(shù);m為節(jié)點個數(shù); 4.3實驗平臺 在本次實驗研究中，搭建實驗平臺如圖1所示。然后構造機械手的坐標系，確定機械手與坐標系的相對位置;將物料懸浮在不同位置，利用MATLAB平臺對機械手抓取物料的情況進行測試和仿真。 圖1所示：實驗平臺 4.4仿真結果分析 在本次仿真測試與分析中，將機械手應用于單PVDF抓料環(huán)境和多抓料環(huán)境，測試機械手抓取運動路徑規(guī)劃方案的可靠性。將機械手放置在初始位置，用纜繩懸掛PVDF桿料，根據(jù)第五關節(jié)分割方法計算抓取物料的姿態(tài)，沿上述運動路徑完成抓取作業(yè)，并在仿真界面上生成耗時的抓取物料數(shù)據(jù)。 (1) 單次PVDF材料抓取模擬試驗本實驗將材料放置在不同的空間位置，測試機械手是否能夠準確抓取材料，并測試每次抓取材料的時間和10個實驗材料的平均抓取時間。表2為單次PVDF抓料模擬測試結果。 表2 PVDF單片材料抓取仿真測試結果 測試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時間(s) 測試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時間(s) 1 (0.61,0.31,0.50) 是 27.3 6 (0.31,-0.3,0.69) 是 25.7 2 (0.49,0.31,0.52) 是 25.5 7 (0.41,-0.24,0.6) 是 21.6 3 (0.22,-0.5,0.49) 是 22.2 8 (0.21,0.49,0.60) 是 27.9 4 (0.59,0,0.64) 是 24.6 9 (0.11,-0.49,0.7) 是 23.6 5 (0.21,0.59,0.39) 是 28.6 10 (0.40,0.49,0.49) 是 27.8 根據(jù)表2的統(tǒng)計結果可知，本研究設計的機器人抓取物料運動路徑能夠準確抓取物料，耗時范圍為21.6s ~ 28.6s，平均時間為25.48s。因此，本研究方案滿足了制造過程中單個工件的抓取。 (2) 多PVDF材料抓取模擬試驗 對于多材料抓取模擬實驗，也選擇“最短路徑”法作為對照組。隨著材料數(shù)量的增加，比較觀察單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。結果如表3所示。 表3 多個PVDF材料抓取仿真測試結果 PVDF材料數(shù)量 單種PVDF材料平均抓取時間(s) 平均抓住時間(s) 本文的研究方法 “最短路徑”的方法 本文的研究方法 “最短路徑”的方法 2個 19.24 19.24 38.6 38.6 3個 18.58 18.66 55.7 56.1 4個 17.24 17.56 69.1 70.3 5個 16.39 16.85 81.9 84.3 6個 16.21 16.57 97.2 99.4 通過對比統(tǒng)計結果在表3中,可以看出機械手的抓取動作的時間路徑提出了研究是相對較短的,和一個PVDF材料的平均把握時間或增加的材料數(shù)量小于“最短路徑”的方法。 為了挖掘本研究提出的機械手抓取物料的特性，將本研究機械手抓取路徑耗時數(shù)據(jù)單獨統(tǒng)計并繪制成圖，如圖2所示。 圖2 機械手抓取物料的時間與時間增加的關系 在圖2中，橫坐標表示PVDF材料的數(shù)量，值為1,2,3,4,5,6，縱坐標表示單個PVDF材料的平均拾取時間。從圖2的曲線趨勢可以看出，隨著PVDF材料數(shù)量的增加，機械手抓取單個PVDF材料的時間逐漸減少。當抓料個數(shù)達到5時，耗時曲線逐漸趨于平緩，變化不大。因此，在本研究中，機械手抓取5-6 PVDF材料時具有較高的效率。當材料數(shù)量較少時，本文設計的運動路徑的優(yōu)勢不明顯。在實際應用中，需要根據(jù)實際情況設計機械手的運動路徑。 5. 結論 本文對六自由度機械手進行了運動學分析，規(guī)劃了機械手抓取工件材料的運動路徑。仿真測試結果表明，當需要抓取的材料較多時，本研究規(guī)劃的運動路徑所花費的時間比“最短路徑”運動路徑所花費的時間要少。隨著抓料數(shù)量的增加，平均耗時更少。當抓取物料數(shù)量達到5個時，機械手抓取物料的時間不再減少。