工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)分析與仿真探究

聶波

摘要：隨著改革開(kāi)放政策不斷實(shí)施，工業(yè)技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，并且工業(yè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域之中。機(jī)器人作為智能技術(shù)發(fā)展的重要內(nèi)容，機(jī)器人技術(shù)在國(guó)內(nèi)很多的行業(yè)均有所應(yīng)用，隨著機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，其在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸占據(jù)著非常重要的地位。我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，目前和國(guó)外的機(jī)器人技術(shù)還有一定的差距，但相信經(jīng)過(guò)我們長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和努力我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)必然會(huì)出現(xiàn)技術(shù)突破，在世界機(jī)器人行業(yè)贏得一席之地。計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為了當(dāng)代技術(shù)的發(fā)展主流，我們必須加快計(jì)算機(jī)相關(guān)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展研究，努力實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。該文針對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)分析和仿真研究，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新突破提供重要支持。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；系統(tǒng)分析；仿真

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0260-02

工業(yè)機(jī)器人技術(shù)主要包含了：工程控制、機(jī)械控制、電子技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)人工智能、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多維一體融合技術(shù)。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)具備較大的發(fā)展?jié)摿?，因?yàn)楣I(yè)機(jī)器人可以替代人類做一些人類無(wú)法實(shí)現(xiàn)或者不方便做的事情。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)變得日漸成熟，為工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)提供了重要支持，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)也在不斷發(fā)展，且規(guī)模變得越來(lái)越大[1]。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的產(chǎn)品質(zhì)量控制保障，為企業(yè)增產(chǎn)提供重要支持，對(duì)于有效提高工人的工作效率和生產(chǎn)量具有十分重要的意義。工業(yè)機(jī)器人的好處很多，就目前而言工業(yè)機(jī)器人為解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效益和減少出錯(cuò)率作用重大。

1 工業(yè)機(jī)器人研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

目前，工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展相當(dāng)迅速，且每年呈現(xiàn)出兩位數(shù)大幅度增長(zhǎng)量，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的銷量已經(jīng)達(dá)到了28萬(wàn)臺(tái)。據(jù)世界工業(yè)機(jī)器人使用統(tǒng)計(jì)顯示，2015年全球的工業(yè)機(jī)器人的使用量已經(jīng)達(dá)到了150萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)在2018年全球的工業(yè)機(jī)器人的使用量將會(huì)突破230萬(wàn)臺(tái)[2]。自從2014年以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)成為了機(jī)器人消費(fèi)和生產(chǎn)大國(guó)，在2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)量為5.4萬(wàn)臺(tái)，同比2014年增長(zhǎng)了55%，占全球的總量的1/4；同時(shí)比2004年增長(zhǎng)了10余倍。2015年的工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)中顯示，我國(guó)在2015年機(jī)器人生產(chǎn)約為7.2萬(wàn)臺(tái)，比2014年增長(zhǎng)了25%，占全球總量的1/5；我國(guó)2016年工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)量達(dá)到了28萬(wàn)臺(tái)，比2015年增長(zhǎng)了74.3%，占全球總量的3/10，；2017年的工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)量達(dá)到了40萬(wàn)臺(tái)，比2016年增長(zhǎng)了30%，占全球總量的2/5，如表1所示。

由此可見(jiàn)，中國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)量出現(xiàn)逐年增長(zhǎng)的局面，但是面臨著工業(yè)對(duì)機(jī)器人的功能需求不斷提高，相關(guān)的機(jī)器人技術(shù)也正在發(fā)生著革命性變化。未來(lái)的中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)存在著巨大的發(fā)展?jié)摿?，伴隨著我國(guó)的工業(yè)企業(yè)不斷轉(zhuǎn)型，勞動(dòng)力成本也正在不斷增長(zhǎng)，發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)將變得可分可行，對(duì)于降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效益顯得十分重要。

1.2 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

自從工業(yè)機(jī)器人的誕生以來(lái)，國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展均已經(jīng)具有了一定的規(guī)模。世界工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)規(guī)模一直保持著十分良好的生長(zhǎng)趨勢(shì)，年均工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)率保持著10%的比例增長(zhǎng)。主要的國(guó)際機(jī)器人公司有歐系、日系、美系以及中國(guó)制造的工業(yè)機(jī)器人。目前，世界的工業(yè)機(jī)器人主要被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、物流運(yùn)輸、商業(yè)服務(wù)以及資源探測(cè)等重要領(lǐng)域。各國(guó)的工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)工人數(shù)量也有很大的差異，工業(yè)機(jī)器人的分布國(guó)家和每個(gè)地區(qū)的工業(yè)發(fā)展水平差異，直接影響了工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)銷售。工業(yè)機(jī)器人在主要工作包含點(diǎn)焊、弧焊、裝配、涂料、沖壓、物料搬運(yùn)、噴涂以及材料上下等。

2 工業(yè)機(jī)器人多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

工業(yè)機(jī)器人作為多體系統(tǒng)，其主要由多個(gè)系統(tǒng)組成，物體通運(yùn)動(dòng)連接著非常復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)根據(jù)多體系統(tǒng)的力學(xué)特性和剛體耦合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。多剛體系統(tǒng)主要指忽略系統(tǒng)中的物體彈性變形，將剛體作為處理系統(tǒng)，類似的系統(tǒng)則處于低速狀態(tài)。多柔性系統(tǒng)則主要指工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中物體出現(xiàn)變形，必將通過(guò)柔性體進(jìn)行處理；剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)則可以看做是柔性體系統(tǒng)中采用剛體來(lái)處理系統(tǒng)的一種模式[3]。

2.1 笛卡爾方法演變及應(yīng)用

工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)在解決動(dòng)力學(xué)建模和自動(dòng)化問(wèn)題的時(shí)候，提出了多剛體建模方法，這種建模方法以系統(tǒng)中的每個(gè)單元作為建模的坐標(biāo)體系，剛體的相對(duì)位置作為一個(gè)公共參考。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)建模過(guò)程中剛體坐標(biāo)的基點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)為坐標(biāo)系的方位坐標(biāo)，然后根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。笛卡爾方法中單個(gè)物體位置的坐標(biāo)系中，二維有三個(gè)；三維有六個(gè)。由N個(gè)剛體組成的系統(tǒng)中，位置坐標(biāo)陣個(gè)數(shù)為3N或者6N，因此其系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)形式為：

，且?（q，t）=0。?表示位置的坐標(biāo)，q表示約束方程，B則表示約束方程的雅克比矩陣。

2.2 工業(yè)機(jī)器人多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

工業(yè)機(jī)器人的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析和仿真，是在不考慮到各種傳動(dòng)部件的情況下實(shí)施的對(duì)數(shù)字化仿真分析，其基本的流程為如圖1所示。

其中建設(shè)虛擬樣模型的方式很多，可以直接在Adams中建立，也可以通過(guò)其他的軟件建模之后導(dǎo)入到adams環(huán)境之中。工業(yè)機(jī)器人的模型建立會(huì)多次采用模型分析方式，在具體的仿真過(guò)程中必須對(duì)cosmoswork進(jìn)行環(huán)境網(wǎng)格劃分和導(dǎo)入。注意在模型建立的時(shí)候應(yīng)做好相應(yīng)的改進(jìn)工作，如前臂后臂焊接，可以有效減少adams中固定的約束，將電機(jī)安裝、電機(jī)、支架以及導(dǎo)軌建模時(shí)，模型采用碳鋼材質(zhì)，其質(zhì)量和電機(jī)的實(shí)際質(zhì)量相符，以此確保仿真結(jié)果的正確性。將導(dǎo)軌、電機(jī)安裝、電機(jī)和回轉(zhuǎn)支架模型建立的時(shí)候，需去掉零件中不必要的圓角和倒角，以此來(lái)簡(jiǎn)化模型，方便在ansys中劃分網(wǎng)格。

3 工業(yè)機(jī)器人的多剛體動(dòng)力學(xué)仿真

3.1 設(shè)置重力加速度

工業(yè)機(jī)器人在仿真的時(shí)候，需考慮到其主要的載荷為貨物重量，而機(jī)器人的自身重量可以忽略，必須通過(guò)添加相應(yīng)的重力加速度，才能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)作。若將重力的加速度設(shè)為9.8m/s2，設(shè)置好重力加速度之后，將質(zhì)量mass和質(zhì)量慣性的力矩加入到部件之中[4]。

3.2 添加約束

當(dāng)工業(yè)機(jī)器人的多個(gè)剛體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，導(dǎo)入adams之后模型應(yīng)添加相應(yīng)的約束條件，重新添加約束條件之后，工業(yè)機(jī)器人的部件之間的約束主要由旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副。工業(yè)機(jī)器人的底座和銷軸也應(yīng)添加固定副，以便于維持工業(yè)機(jī)器人的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)機(jī)器人的多剛體動(dòng)力學(xué)仿真模型構(gòu)建的時(shí)候，添加約束條件，主要有固定鉸、旋轉(zhuǎn)副以及平移副等約束。

3.3 材料的屬性設(shè)置

導(dǎo)入模塊之后對(duì)于各個(gè)部件的材料屬性必須設(shè)置，同時(shí)也應(yīng)加入到模型之中。一般的工業(yè)機(jī)器人的材料屬性為鋁合金，工業(yè)機(jī)器人的搖桿、前臂、后臂以及下臂的材料一致。工業(yè)機(jī)器人操作的貨物材料也基本上為鋁合金，因此貨物的質(zhì)量的控制恰好在50kg，其他的部件材料為Q235A。

3.4 摩擦力添加

工業(yè)機(jī)器人的各個(gè)部件之間存在著摩擦力，為了有效確保仿真，必須添加一定的摩擦力。通過(guò)摩擦力添加平衡系統(tǒng)的穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)副添加摩擦力為工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)轉(zhuǎn)提供支持。一般，工業(yè)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)副添加摩擦力的系數(shù)為0.01。工業(yè)機(jī)器人添加摩擦力為了保證工業(yè)機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中仿真更加真實(shí)，營(yíng)造出機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境。

3.5 添加驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)曲線

工業(yè)機(jī)器人具有四個(gè)自由度，需要向模型添加四個(gè)驅(qū)動(dòng)，添加驅(qū)動(dòng)分別選擇回轉(zhuǎn)支架和底座之間的旋轉(zhuǎn)副、豎向驅(qū)動(dòng)滑塊和回轉(zhuǎn)支架之間的移動(dòng)副、水平豎向驅(qū)動(dòng)滑塊和回轉(zhuǎn)支架之間的移動(dòng)副、抓手和端節(jié)之間的旋轉(zhuǎn)副。豎向驅(qū)動(dòng)滑塊、回轉(zhuǎn)支架、水平驅(qū)動(dòng)滑塊和抓手的運(yùn)動(dòng)曲線，需要將運(yùn)動(dòng)曲線添加到驅(qū)動(dòng)中，運(yùn)動(dòng)曲線包括位移曲線、速度曲線和加速度曲線，這里選擇位移曲線。將四個(gè)位移曲線保存為txt格式，通過(guò)CUBSPL函數(shù)將位移曲線添加中驅(qū)動(dòng)中。通過(guò)仿真得到的位移曲線的仿真時(shí)間為1.4s，采樣時(shí)間為0.01s在中的仿真時(shí)間也應(yīng)設(shè)為1.4s，采樣時(shí)間設(shè)為0.01s。對(duì)于豎向驅(qū)動(dòng)力矩，在t=0時(shí)刻，由于機(jī)械臂、貨物、連桿等部件的重量的存在，要保證重量平衡，所以有一個(gè)不小的力作用在豎向驅(qū)動(dòng)滑塊上，豎向滑塊驅(qū)動(dòng)來(lái)曲線與其加速度曲線相似[5]。考慮到系統(tǒng)的重量，上述兩者的變化規(guī)律略有不同；系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)曲線與豎向驅(qū)動(dòng)力曲線相似，在初始階段，在工業(yè)機(jī)器人的水平運(yùn)行方向上也有一個(gè)水平驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)作用到驅(qū)動(dòng)滑塊上時(shí)，水平滑塊驅(qū)動(dòng)力變化規(guī)律與其加速度變化規(guī)律也相似。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前和國(guó)外的機(jī)器人技術(shù)還有一定的差距，但相信經(jīng)過(guò)我們長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和努力我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)必然會(huì)出現(xiàn)技術(shù)突破，在世界機(jī)器人行業(yè)贏得一席之地。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)提供了重要的產(chǎn)品質(zhì)量控制保障，為企業(yè)增產(chǎn)提供重要支持，對(duì)于有效提高工人的工作效率和生產(chǎn)量具有十分重要的意義。綜上所述，我們必須大力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，為我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)和國(guó)力提升有著十分重要的作用。未來(lái)的工業(yè)機(jī)器人的前景大好，隨著計(jì)算技術(shù)的日益成熟，實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平飛躍將不再是夢(mèng)。

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