基于ROBCAD工業(yè)機(jī)器人工作空間的仿真與分析

董詩繪

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山063000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的工作空間指機(jī)器人不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)達(dá)到的末端執(zhí)行器的所有位置的集合，也叫可達(dá)工作空間。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行路徑規(guī)劃和控制之前，必須要分析其工作空間，工作空間表示工業(yè)機(jī)器人的活動(dòng)范圍，這是評(píng)價(jià)工業(yè)機(jī)器人工作能力的重要因素[1]，也是對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行控制的基礎(chǔ)。本文以工業(yè)機(jī)器人在車身后圍板焊接線的應(yīng)用為研究對(duì)象，使用ROBCAD軟件對(duì)工業(yè)機(jī)器人的工作空間進(jìn)行仿真，方便現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員分析，判斷機(jī)器人在工作空間內(nèi)作業(yè)的可行性進(jìn)而減少實(shí)際運(yùn)行過程中的意外事故。

1 工業(yè)機(jī)器人工作空間的描述

本文使用的工業(yè)機(jī)器人是ABB IRB6640型工業(yè)機(jī)器人，如圖1所示[2]。

圖1 ABB IRB6640型工業(yè)機(jī)器人

本文采用兩臺(tái)ABB IRB6640型機(jī)器人焊接同一個(gè)后圍板，在機(jī)器人仿真時(shí)需要對(duì)兩個(gè)機(jī)器人進(jìn)行工作空間的仿真，檢查待完成的工作任務(wù)的目標(biāo)物體是否在機(jī)器人的工作空間范圍內(nèi)[3]。圖1中兩臺(tái)機(jī)器人分別命名為RobotA和RobotB。

工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器的所有位置的集合構(gòu)成了機(jī)器人的工作空間。因此需要求出工業(yè)機(jī)器人的末端執(zhí)行器的所有位置的坐標(biāo)[4]。本文采用Denavit-Hartenberg方法（簡(jiǎn)稱D-H方法），已知各個(gè)關(guān)節(jié)變量的值，如表1所示，從基座固定坐標(biāo)系開始依次通過各連桿坐標(biāo)系的傳遞，推導(dǎo)求出機(jī)器人末端手部坐標(biāo)系的位姿。ABB IRB6640型機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系如圖2所示。

表1 ABB IRB6640型機(jī)器人的連桿參數(shù)

圖2 ABB IRB6640連桿坐標(biāo)系

Ai變換矩陣，表示的是一個(gè)連桿坐標(biāo)系與下一個(gè)連桿坐標(biāo)系間相對(duì)關(guān)系的齊次變換矩陣。

將表1機(jī)器人各個(gè)參數(shù)帶入式（1）中，得到各個(gè)連桿的齊次變換矩陣為：

ABB IRB6640型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

上式中，前3列坐標(biāo)表示機(jī)s器人的位置，第4列表示的是末端手部的位置，所以求得手部的位置坐標(biāo)：

機(jī)器人的工作空間用Q表示為：

2 工業(yè)機(jī)器人工作空間仿真

2.1 ROBCAD軟件介紹

ROBCAD軟件現(xiàn)為西門子公司Siemens PLM Software管理軟件的一部分[5]。該軟件可選機(jī)器人型號(hào)和焊槍類型、導(dǎo)入創(chuàng)建焊點(diǎn)、工作空間仿真、干涉分析、平衡生產(chǎn)節(jié)拍和離線編程等。該軟件建模速度快、機(jī)器人仿真十分精確而被許多企業(yè)大力推行，在許多著名汽車生產(chǎn)制造商中采用ROBCAD軟件進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)化生產(chǎn)線設(shè)計(jì)和仿真等工作。

2.2 工作空間仿真

采用MATLAB對(duì)機(jī)器人工作空間進(jìn)行仿真，求解其工作空間[2]，仿真結(jié)果如圖3所示。雖然可以得到整個(gè)工作空間的三維圖，但是仿真過程計(jì)算量大，過程慢，仿真結(jié)果不直觀。通過使用MATLAB軟件和ROBCAD軟件進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人工作空間仿真結(jié)果比較，利用ROBCAD軟件仿真的工作空間求解速度更快、邊緣輪廓更完整、圖像更清晰、更直觀，更加適用于工業(yè)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用，如圖4所示。

圖3 基于MATLAB工作空間的仿真

圖4 基于ROBCAD軟件工作空間的仿真

3 工作空間仿真分析

對(duì)于一個(gè)成品的機(jī)器人來說，面對(duì)一個(gè)待完成的操作任務(wù)，前提是目標(biāo)物體在機(jī)器人的工作空間范圍內(nèi)，即考慮機(jī)器人工作空間能否包含其任務(wù)空間。在滿足的情況下，才能對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作，考慮如何完成任務(wù)；對(duì)于不在機(jī)器人工作空間范圍的目標(biāo)物體，就要使該物體到達(dá)機(jī)器人的工作空間范圍之內(nèi)，否則將不能完成對(duì)目標(biāo)物體的具體操作。

通過對(duì)兩個(gè)機(jī)器人工作空間的仿真（圖5），目標(biāo)物體后圍板在RobotA的工作空間范圍內(nèi)（圖5（a）中，輪廓為RobotA的工作空間），也在robot2的工作空間范圍內(nèi)（圖5（b）中，輪廓為RobotB的工作空間）。即兩個(gè)機(jī)器人工作空間都能包含其任務(wù)空間，可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行相關(guān)操作。

圖5 ABB IRB6640型工業(yè)機(jī)器人工作空間仿真

圖6 機(jī)器人工作空間在XOY平面投影

圖7和圖8是在同一空間內(nèi)RobotA和RobotB工作空間的仿真及其在XOY平面投影[5]。通過對(duì)兩個(gè)機(jī)器人在同一工作空間的仿真，板件都在兩個(gè)機(jī)器人工作空間范圍內(nèi)，即工作空間包含任務(wù)空間，滿足機(jī)器人工作條件。

圖7 在同一空間內(nèi)RobotA和RobotB工作空間的仿真

圖8 在同一空間內(nèi)雙機(jī)器人工作空間的XOY平面投影

4 結(jié)語

本研究采用ROBCAD軟件對(duì)工業(yè)機(jī)器人焊接車身后圍板工作空間的仿真，機(jī)器人的工作空間求解速度快、邊緣輪廓更完整、圖像更清晰、更直觀，對(duì)機(jī)器人工作空間與任務(wù)空間進(jìn)行分析得出機(jī)器人工作空間包含兩個(gè)機(jī)器人焊接的任務(wù)空間，機(jī)器人、后圍板及其工裝設(shè)備符合實(shí)際生產(chǎn)線布局要求，為機(jī)器人焊接軌跡規(guī)劃和控制提供了有利參考依據(jù)，保障生產(chǎn)線安全生產(chǎn)，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線可以正常投產(chǎn)起到了很大作用。