多自由度工業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-關(guān)節(jié)式四自由度含開題、SW三維仿真及12CAD圖

多自由度工業(yè)機(jī)械手臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-關(guān)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(jī)械,手臂,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),關(guān)節(jié),開題,SW,三維,仿真,12,CAD 學(xué) 號(hào)： 外文出處： 2020 J.Phys.：Conf.Ser. 1574 012156 六自由度機(jī)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(dòng)化和智能技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已成為智能化工廠的重要組成部分。在實(shí)際應(yīng)用中，所實(shí)現(xiàn)的所有功能均由機(jī)械手實(shí)現(xiàn)。事實(shí)證明，合理的機(jī)械手路徑規(guī)劃有助于減少機(jī)械零件在運(yùn)行過程中的損失和沖擊，大大提高機(jī)械手的使用壽命，也有助于提高機(jī)械手的控制精度。本文以六自由度機(jī)械臂為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了該機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方案，并通過PVDF材料動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。 結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑比最短路徑抓取材料所需的時(shí)間更少，操作精度更高。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；動(dòng)態(tài)仿真；運(yùn)動(dòng)路徑 1. 引言 近年來，隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”計(jì)劃的提出，制造業(yè)正朝著智能化發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人已成為現(xiàn)代智能工廠中不可或缺的設(shè)備，主要適用于快速，準(zhǔn)確和重復(fù)的工作。機(jī)械手的軌跡決定了生產(chǎn)和制造的質(zhì)量。為了使機(jī)器人在未知的工作環(huán)境中按預(yù)期方式運(yùn)動(dòng)并高效穩(wěn)定地完成工作，需要提高機(jī)械手的操作精度。本文以六自由度操縱器為研究對(duì)象，并利用MATLAB軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了仿真規(guī)劃研究。 2. 六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 在機(jī)械手的正向和反向運(yùn)動(dòng)期間，坐標(biāo)系會(huì)發(fā)生變化，因此有必要沿X軸和Z軸執(zhí)行旋轉(zhuǎn)，平移和其他處理，以獲得新的坐標(biāo)系并使用齊次變化矩陣來求解。 以下是從{Oi-1} 坐標(biāo)系到{Oi }坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換順序如下： （1） 以為軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角度為，且X軸方向變化前后保持不變; （2） 以為軸進(jìn)行坐標(biāo)系平移處理，移動(dòng)距離為，X軸方向不變前后保持不變； （3） 沿軸方向平移，移動(dòng)距離為 ，{Oi-1}坐標(biāo)系的原點(diǎn)與{Oi }坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合； （4） 坐標(biāo)系以為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為，Z軸方向變化前后保持不變。 按照上述步驟進(jìn)行處理后，將{Oi-1}坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為{Oi }坐標(biāo)系，得到的齊次變換矩陣如下： （1） 本文研究的六自由度機(jī)械手的D-H參數(shù)如表1所示。 表1.機(jī)器人機(jī)械手的D-H參數(shù) 關(guān)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(jì)算相鄰關(guān)節(jié)變換矩陣的乘積，得到機(jī)械手的前向運(yùn)動(dòng)值。 （2） 逆向運(yùn)動(dòng)解的原理與正向運(yùn)動(dòng)解的原理相同。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，將參數(shù)值代入得到，這里不再贅述。 3. 機(jī)械手的軌跡規(guī)劃 機(jī)械手的軌跡規(guī)劃可以以起點(diǎn)和終點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形成的關(guān)節(jié)角為分析對(duì)象，通過構(gòu)造插補(bǔ)函數(shù)展開描述。例如，設(shè)置四個(gè)約束條件來約束關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以保證形成的軌跡是連續(xù)的。一般使用下面的三次多項(xiàng)式來描述。 （3） 推導(dǎo)式(3)可以得到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，將得到的結(jié)果代入初始條件，得到各參數(shù)值，從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡函數(shù)。 三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于工件夾持方式相對(duì)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(jī)械手關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡，介紹了擺線曲線規(guī)劃方法，針對(duì)較復(fù)雜的工作條件規(guī)劃了空間運(yùn)動(dòng)軌跡。該規(guī)劃方法生成的運(yùn)行軌跡相對(duì)穩(wěn)定，不存在抖動(dòng)。在有限的區(qū)間內(nèi)，如果目標(biāo)點(diǎn)在終點(diǎn)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(diǎn)規(guī)劃對(duì)象是起點(diǎn)和焦點(diǎn)，減少了中間運(yùn)動(dòng)過程的規(guī)劃。 4. 六自由度機(jī)械臂PVDF桿抓取運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃的仿真實(shí)驗(yàn) 本文以PVDF抓桿運(yùn)動(dòng)為例，對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)棒材制造和搬運(yùn)的要求，設(shè)計(jì)了物料搬運(yùn)任務(wù)，明確了機(jī)械臂夾持運(yùn)動(dòng)任務(wù)，規(guī)劃了運(yùn)動(dòng)路徑，并在搭建的仿真平臺(tái)上對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行了仿真。通過觀察仿真結(jié)果，判斷路徑規(guī)劃方案能否有效控制機(jī)械手的操作，完成抓取物料的任務(wù)。 4.1抓取任務(wù) 在本次仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，部署了抓取單個(gè)目標(biāo)材料和抓取多個(gè)目標(biāo)材料兩種抓取任務(wù)，并采用“最短路徑”方法作為對(duì)照組。 (1) 單目標(biāo)材料抓取任務(wù)選擇PVDF桿作為抓取目標(biāo)材料，分別將材料懸掛到10個(gè)不同的位置，固定機(jī)械手的空間位置，模擬機(jī)械手抓取這10個(gè)目標(biāo)材料所花費(fèi)的時(shí)間。 (2) 多個(gè)目標(biāo)物料抓取任務(wù)選擇PVDF桿作為抓取目標(biāo)物料，機(jī)械手的空間位置固定。設(shè)計(jì)了五套測(cè)試實(shí)驗(yàn)。材料個(gè)數(shù)依次為2、3、4、5、6，模擬測(cè)試單個(gè)PVDF材料的平均抓取時(shí)間和平均抓取時(shí)間。 4.2運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃 在PVDF桿的加工制造過程中，機(jī)械手可能面臨多重抓取任務(wù)。為了提高機(jī)械手的操作效率，需要保證關(guān)節(jié)角加權(quán)值為最小。因此，實(shí)驗(yàn)路徑規(guī)劃基于關(guān)節(jié)角加權(quán)最小的原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)路徑函數(shù)。用數(shù)學(xué)語言描述PVDF棒材加工制造機(jī)械手的運(yùn)動(dòng):若機(jī)械手在執(zhí)行抓取任務(wù)時(shí)處于位置，則需要抓取的物料個(gè)數(shù)為n，放置物料的空間位置分別標(biāo)為，計(jì)算六自由度關(guān)節(jié)空間變量，根據(jù)機(jī)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(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度總和最小為前提，得到單關(guān)節(jié)時(shí)間消耗和能量消耗最小的目標(biāo)函數(shù)。忽略其他因素，能量消耗最小耗時(shí)最小，多個(gè)關(guān)節(jié)完成抓握操作累積耗時(shí)結(jié)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(biāo)函數(shù)，即反應(yīng)能量消耗;n為通過的空間點(diǎn)個(gè)數(shù);m為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù); 4.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 在本次實(shí)驗(yàn)研究中，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。然后構(gòu)造機(jī)械手的坐標(biāo)系，確定機(jī)械手與坐標(biāo)系的相對(duì)位置;將物料懸浮在不同位置，利用MATLAB平臺(tái)對(duì)機(jī)械手抓取物料的情況進(jìn)行測(cè)試和仿真。 圖1所示：實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 4.4仿真結(jié)果分析 在本次仿真測(cè)試與分析中，將機(jī)械手應(yīng)用于單PVDF抓料環(huán)境和多抓料環(huán)境，測(cè)試機(jī)械手抓取運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方案的可靠性。將機(jī)械手放置在初始位置，用纜繩懸掛PVDF桿料，根據(jù)第五關(guān)節(jié)分割方法計(jì)算抓取物料的姿態(tài)，沿上述運(yùn)動(dòng)路徑完成抓取作業(yè)，并在仿真界面上生成耗時(shí)的抓取物料數(shù)據(jù)。 (1) 單次PVDF材料抓取模擬試驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)將材料放置在不同的空間位置，測(cè)試機(jī)械手是否能夠準(zhǔn)確抓取材料，并測(cè)試每次抓取材料的時(shí)間和10個(gè)實(shí)驗(yàn)材料的平均抓取時(shí)間。表2為單次PVDF抓料模擬測(cè)試結(jié)果。 表2 PVDF單片材料抓取仿真測(cè)試結(jié)果 測(cè)試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時(shí)間(s) 測(cè)試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時(shí)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(jì)結(jié)果可知，本研究設(shè)計(jì)的機(jī)器人抓取物料運(yùn)動(dòng)路徑能夠準(zhǔn)確抓取物料，耗時(shí)范圍為21.6s ~ 28.6s，平均時(shí)間為25.48s。因此，本研究方案滿足了制造過程中單個(gè)工件的抓取。 (2) 多PVDF材料抓取模擬試驗(yàn) 對(duì)于多材料抓取模擬實(shí)驗(yàn)，也選擇“最短路徑”法作為對(duì)照組。隨著材料數(shù)量的增加，比較觀察單個(gè)PVDF材料的平均抓取時(shí)間和平均抓取時(shí)間。結(jié)果如表3所示。 表3 多個(gè)PVDF材料抓取仿真測(cè)試結(jié)果 PVDF材料數(shù)量 單種PVDF材料平均抓取時(shí)間(s) 平均抓住時(shí)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(gè) 19.24 19.24 38.6 38.6 3個(gè) 18.58 18.66 55.7 56.1 4個(gè) 17.24 17.56 69.1 70.3 5個(gè) 16.39 16.85 81.9 84.3 6個(gè) 16.21 16.57 97.2 99.4 通過對(duì)比統(tǒng)計(jì)結(jié)果在表3中,可以看出機(jī)械手的抓取動(dòng)作的時(shí)間路徑提出了研究是相對(duì)較短的,和一個(gè)PVDF材料的平均把握時(shí)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(jī)械手抓取物料的特性，將本研究機(jī)械手抓取路徑耗時(shí)數(shù)據(jù)單獨(dú)統(tǒng)計(jì)并繪制成圖，如圖2所示。 圖2 機(jī)械手抓取物料的時(shí)間與時(shí)間增加的關(guān)系 在圖2中，橫坐標(biāo)表示PVDF材料的數(shù)量，值為1,2,3,4,5,6，縱坐標(biāo)表示單個(gè)PVDF材料的平均拾取時(shí)間。從圖2的曲線趨勢(shì)可以看出，隨著PVDF材料數(shù)量的增加，機(jī)械手抓取單個(gè)PVDF材料的時(shí)間逐漸減少。當(dāng)抓料個(gè)數(shù)達(dá)到5時(shí)，耗時(shí)曲線逐漸趨于平緩，變化不大。因此，在本研究中，機(jī)械手抓取5-6 PVDF材料時(shí)具有較高的效率。當(dāng)材料數(shù)量較少時(shí)，本文設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)路徑的優(yōu)勢(shì)不明顯。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)路徑。 5. 結(jié)論 本文對(duì)六自由度機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，規(guī)劃了機(jī)械手抓取工件材料的運(yùn)動(dòng)路徑。仿真測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)需要抓取的材料較多時(shí)，本研究規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)路徑所花費(fèi)的時(shí)間比“最短路徑”運(yùn)動(dòng)路徑所花費(fèi)的時(shí)間要少。隨著抓料數(shù)量的增加，平均耗時(shí)更少。當(dāng)抓取物料數(shù)量達(dá)到5個(gè)時(shí)，機(jī)械手抓取物料的時(shí)間不再減少。