機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真探索

曹銀冬

摘 ?要：智能化在工業(yè)生產(chǎn)中有著十分重要的作用，工藝裝備制作的好壞直接決定著生產(chǎn)出產(chǎn)品質(zhì)量的高低。由于制作工藝步驟繁瑣復(fù)雜，因此提高工作效率是非常重要的事情。其中的設(shè)備中以串聯(lián)機(jī)構(gòu)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)相結(jié)合的機(jī)構(gòu)可以最有效的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程，智能化極大地提高了工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)構(gòu);模具;加工機(jī)器人;六自由度;運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在國(guó)內(nèi)、外汽車制造領(lǐng)域中，汽車的零件和車身的加工占著重要的地位。加工機(jī)器人已經(jīng)成為自動(dòng)化加工零件中的中間力量并有著非常廣泛的應(yīng)用。加工機(jī)器人具有快速加工、自動(dòng)化程度高、工作效率高、加工質(zhì)量佳等優(yōu)點(diǎn)。車身模具設(shè)計(jì)、制造與加工在生產(chǎn)過(guò)程中具有十分重要的位置。因此本文在詳細(xì)了解串并聯(lián)機(jī)構(gòu)各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人。該加工機(jī)器人具備串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的耦合優(yōu)勢(shì)，融合了加工噴槍，能夠?qū)Υ笮推嚫采w件模具進(jìn)行加工，并且在理想的工作空間內(nèi)進(jìn)行加工，從而提高其工作效率和質(zhì)量。

本文基于這種思想提出基于混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人，串并聯(lián)機(jī)構(gòu)以 6-UPS 并聯(lián)平臺(tái)為基礎(chǔ)，將并聯(lián)平臺(tái)的定平臺(tái)固定在X-Z軸固定導(dǎo)軌上，同時(shí)將二自由度旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)噴頭串聯(lián)固定在并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)上，通過(guò)串、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相互組合的方法，使得該機(jī)器人最終實(shí)現(xiàn)八自由度的加工運(yùn)動(dòng)。其中包括6-UPS 并聯(lián)平臺(tái)自身的六自由度運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)噴頭的二自由度運(yùn)動(dòng)。并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)為噴頭提供位置平臺(tái)。六自由度平臺(tái)由上平臺(tái)、下平臺(tái)以及六個(gè)支腿組成，上、下平臺(tái)分別與支腿兩端鉸接，并聯(lián)機(jī)構(gòu)定平臺(tái)通過(guò)固定桿滑板與z軸上導(dǎo)軌相連接。

機(jī)器人的動(dòng)平臺(tái)通過(guò)六個(gè)相同的分支與定平臺(tái)相聯(lián)接，每個(gè)分支有一個(gè)移動(dòng)副（即驅(qū)動(dòng)桿）和兩個(gè)球面副（胡克鉸或球鉸）。為了描述平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，建立兩個(gè)坐標(biāo)系，分別在動(dòng)、定平臺(tái)上建立動(dòng)坐標(biāo)系 R'：O'--x'y'z和定坐標(biāo)系 R：O--xyz。通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿的伸出和縮回運(yùn)動(dòng)，動(dòng)平臺(tái)可以進(jìn)行三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和三個(gè)平動(dòng)自由度共六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人加工工作中形成的運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)動(dòng)軌跡是呈圓錐型螺旋下降的趨勢(shì)在加工的過(guò)程中，使得在加工中可以更好的使模具均勻的填涂，被遺漏的部分稀少，甚至可以達(dá)到整體的效果。

本文中在三維實(shí)體軟件Pro/E，建立三維模型，虛擬樣機(jī)模型包括三部分：水平和豎直移動(dòng)的二自由度平臺(tái)、六自由度并聯(lián)平臺(tái)、二自由度旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)噴頭。通過(guò)以上的分析可以得出并聯(lián)機(jī)構(gòu)在定姿態(tài)下的工作空間。

求解工作空間中，工作運(yùn)動(dòng)方程在坐標(biāo)軸方向上逐漸增量，在逐漸增量的情況下使得動(dòng)平臺(tái)能夠理想邊界范圍中工作空間。在步長(zhǎng)和仿真時(shí)刻的設(shè)置中進(jìn)行仿真計(jì)算，由伺服電動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，所得的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線為理想工作范圍。在動(dòng)平臺(tái)的接觸點(diǎn)為中心點(diǎn)的位置為噴嘴的安裝位置，加工軌跡由噴頭的運(yùn)動(dòng)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合而產(chǎn)生，定平臺(tái)的參考點(diǎn)固定不動(dòng)與地面參考點(diǎn)相重合，由軟件自動(dòng)生成軌跡曲線，并保存結(jié)果。

從運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果來(lái)看，通過(guò)對(duì)并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)函數(shù)的添加，平臺(tái)可以按照給定的函數(shù)運(yùn)動(dòng)，在X、Y 與Z軸方向做一定規(guī)律的正弦運(yùn)動(dòng)。動(dòng)平臺(tái)的數(shù)值函數(shù)中得到的六個(gè)分支桿的位移曲線變化規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)函數(shù)變量，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加工運(yùn)動(dòng)具有相對(duì)距離的變量，可以看出在設(shè)定的加工運(yùn)動(dòng)過(guò)程中軌跡的變化是可以預(yù)測(cè)出來(lái)的，并聯(lián)定平臺(tái)提供動(dòng)力的伸縮桿的運(yùn)動(dòng)是具有運(yùn)動(dòng)變化的，六個(gè)分支桿同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)也是十分準(zhǔn)確的，并聯(lián)機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型建立是為噴頭運(yùn)動(dòng)提供一定的運(yùn)動(dòng)自由度，使得其在工作總可以很好的完成加工任務(wù)。在沒(méi)有發(fā)生約束冗余的情況下說(shuō)明機(jī)構(gòu)是合理有效的，完全是可以按照人們的設(shè)想去運(yùn)動(dòng)工作，從而達(dá)到理想的工作空間和提高工作效率。

動(dòng)平臺(tái)在驅(qū)動(dòng)函數(shù)的變量中得到的六個(gè)分支桿的位移曲線變化來(lái)帶動(dòng)二自由度噴頭運(yùn)動(dòng)中的相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以得到動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)速度、加速度變化規(guī)律曲線，噴頭末端的位移、角度變化曲線。在與模具之間在加工過(guò)程中，由于相對(duì)距離的變量一定，可以看出在設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)、定平臺(tái)提供動(dòng)力的伸縮桿的伸縮量在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，是相互協(xié)作的。六個(gè)分支桿同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)是可靠的，并聯(lián)平臺(tái)的虛擬樣機(jī)模型建立是正確的，在約束冗余沒(méi)有發(fā)生情況下，說(shuō)明機(jī)構(gòu)是有效的加工機(jī)構(gòu)，完全是可以按照人們的設(shè)想去運(yùn)動(dòng)工作，提高工作效率。

結(jié)束語(yǔ)：

本文利用三維繪圖軟件PRO/E和仿真軟件 SOLIDWORKS 共同對(duì)基于混聯(lián)加工八自由度機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析并通過(guò)幾何法運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的計(jì)算進(jìn)行了研究。在對(duì)串并聯(lián)機(jī)構(gòu)相結(jié)合運(yùn)動(dòng)下，進(jìn)行相互耦合優(yōu)勢(shì)，并在PRO/E軟件中進(jìn)行三維建模，然后導(dǎo)入 SOLIDWORKS 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行分析，并且得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析曲線和理想的工作空間。

該機(jī)器人由水平、豎直移動(dòng)平臺(tái)和六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)和二自由度噴頭構(gòu)成。分別可以在水平、豎直上移動(dòng)，而且六自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)與二自由度噴頭相結(jié)合，從而進(jìn)行多自由度加工運(yùn)動(dòng)，在給機(jī)構(gòu)添加了移動(dòng)驅(qū)動(dòng)、點(diǎn)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的情況下，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。然后由幾何法得到的該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間與加載了驅(qū)動(dòng)的三維建模加工機(jī)器人得到的運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)工作空間相互比較分析。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)幾何方法結(jié)果的對(duì)比分析，對(duì)噴嘴的相互運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)了相互驗(yàn)證。從而并聯(lián)機(jī)構(gòu)stewart的運(yùn)動(dòng)空間和二自由度噴頭的工作運(yùn)動(dòng)空間是混聯(lián)八自由度加工機(jī)器人的復(fù)合運(yùn)動(dòng)空間，通過(guò)驗(yàn)證是完全可以達(dá)到理想運(yùn)動(dòng)空間和提高工作效率的要求。

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