六自由度機(jī)器人本體設(shè)計(jì)及軌跡虛擬仿真

王曉麗　孫曉莉

摘要：隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)用在各行業(yè)，尤其在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，機(jī)器人技術(shù)是高科技的體現(xiàn)。本文設(shè)計(jì)7六自由度工業(yè)機(jī)器人身體的各個(gè)構(gòu)件，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并建立動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，最后用Matlab仿真軟件模擬其運(yùn)動(dòng)軌跡。最終得到六自由度工業(yè)機(jī)器人身體各關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化曲線。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)軌跡Matlab仿真

引言

20世紀(jì)50年代末第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生于美國(guó)，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)更加智能化，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起始于20世紀(jì)70年代，目前我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)在汽車制造業(yè)方面得到了廣范使用。縱觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是新世紀(jì)世界各國(guó)發(fā)展的重要的高新技術(shù)之一。

1本文的研究意義

機(jī)器人軌跡是機(jī)器人在實(shí)際工作過程中，根據(jù)工作要求所走的路線。在其行走過程中末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)隨時(shí)間的變化。本文對(duì)機(jī)器人行走軌跡規(guī)劃，對(duì)提高運(yùn)動(dòng)效率和控制精度有很重要的作用。本次設(shè)計(jì)采用虛擬技術(shù)，縮短機(jī)器人試驗(yàn)研發(fā)周期，達(dá)到化繁為簡(jiǎn)從而對(duì)對(duì)虛擬仿真模型控制，達(dá)到研究目的。

2本文主要研究?jī)?nèi)容

設(shè)計(jì)六自由度機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人模型參數(shù)建模，用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)推算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，以及對(duì)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)建模，用仿真軟件對(duì)機(jī)器人本體運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3六自由度工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)包括：底座、腰部回轉(zhuǎn)部件、大臂部件、小臂部件、手腕部件、手部部件、六個(gè)軸，其中三個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，三個(gè)擺動(dòng)軸。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)，通過計(jì)算傳動(dòng)裝置的參數(shù)，完成機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的裝配。確保了本次設(shè)計(jì)在實(shí)際工況中運(yùn)行的可靠性。從而達(dá)到控制要求?？傮w設(shè)計(jì)如圖1所示。

4六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量，推算各關(guān)節(jié)的相對(duì)位置，使機(jī)器人以不同的位姿到達(dá)其運(yùn)行位置。建立相鄰關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，各關(guān)節(jié)之間的矩陣，求出末端位姿。

5機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及軌跡規(guī)劃

5.1機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方法有很多，本文采用拉格朗日方法進(jìn)行六自由度機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析[3]，在分析機(jī)器人動(dòng)力學(xué)過程中忽略機(jī)器人各關(guān)節(jié)部件之間的摩擦力。

矩陣形式如下：

綜上所得建立其動(dòng)力學(xué)參數(shù)模型。

6機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)以及軌跡仿真

6.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

本文運(yùn)用matlab的Rob。tlCs T。olbox模塊對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。和該系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性理論上分析。

6.2機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真分析

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)采用adams軟件仿真，末端位置Marker的位移曲線如圖3所示：

6.3機(jī)器人軌跡規(guī)劃仿真

本文運(yùn)用matlab對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑仿真，仿真結(jié)果如圖4所示：

從圖4可知在該段軌跡中機(jī)器人各關(guān)節(jié)隨時(shí)間變化曲線。

7小結(jié)

通過機(jī)器人設(shè)計(jì)并仿真滿足本文要求設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)具有可行性，可以達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先。

參考文獻(xiàn)

[1]陳成，六自由度工業(yè)機(jī)器人虛擬設(shè)計(jì)及仿真分析[D]：南京信息工程大學(xué)，2013.

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[3]徐揚(yáng)生，智能機(jī)器人引領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展，科學(xué)時(shí)報(bào)，2 010，（8）：1-4.