機(jī)器人裝配作業(yè)軌跡規(guī)劃研究 Research on Trajectory Planning of Robot Assembly Operation

王小闖 WANG Xiao-chuang 徐達(dá) XU Da 王兆陽(yáng) WANG Zhao-yang

摘要： 隨著智能化、無(wú)人化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人自主裝配將成為工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、無(wú)人化主要發(fā)展方向。針對(duì)采用機(jī)器人完成內(nèi)燃機(jī)配件自動(dòng)裝配問(wèn)題，依托Matlab/Adams聯(lián)合仿真對(duì)工作路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃仿真。建立裝配機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)裝配路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃，利用Matlab/Adams聯(lián)合仿真驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的可行性，仿真結(jié)果表明裝配機(jī)器人所規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性良好，能夠很好的按規(guī)劃的路徑完成裝配作業(yè)，為內(nèi)燃機(jī)配件裝配實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)提供借鑒。

Abstract： With the development of intelligent and unmanned technology， autonomous assembly of robots will become the main development direction of industrial production automation and unmanned. Aiming at the problem of using robots to complete the automatic assembly of internal combustion engine parts， relying on Matlab/Adams co-simulation to simulate the trajectory planning of the working path. Establish a kinematic model of the assembly robot， and plan the trajectory of the assembly path， using Matlab/Adams co-simulation to verify the feasibility of the kinematics model. The simulation results show that the planned trajectory of the assembly robot has good kinematics and dynamics characteristics， and can complete the assembly work well according to the planned path， which provides reference for the realization of unmanned operation in the assembly of internal combustion engine parts.

關(guān)鍵詞： 裝配機(jī)器人;Matlab/adams;聯(lián)合仿真;軌跡規(guī)劃

Key words： assembly robot;Matlab/adams;co-simulation;trajectory planning

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0213-03

0? 引言

隨著智能化、無(wú)人化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，使用機(jī)器人完成內(nèi)燃機(jī)配件的裝配工作已經(jīng)成為主要發(fā)展趨勢(shì)[1]。為完成自動(dòng)裝配作業(yè)，通常對(duì)裝配機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并對(duì)規(guī)劃的軌跡進(jìn)行驗(yàn)證，得出符合實(shí)際條件的工作路徑。因此，在Matlab計(jì)算關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡曲線并在Adams中建立模型，通過(guò)Matlab和Adams聯(lián)合仿真，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)軌跡的可行性[2]，表明裝配機(jī)器人能夠可靠的完成規(guī)劃的裝配作業(yè)任務(wù)。

1? 機(jī)器人裝配作業(yè)軌跡規(guī)劃

裝配機(jī)器人軌跡規(guī)劃是指機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上的軌跡生成方法[3]，是在給定的限制下，由關(guān)于時(shí)間的足夠平滑的函數(shù)構(gòu)成軌跡函數(shù)實(shí)現(xiàn)軌跡規(guī)劃。較為常用的是五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃[4]，其關(guān)節(jié)角度曲線變化平緩，速度曲線也比較順滑，加速度也不存在跳變的情況。其函數(shù)表達(dá)式為：

θ（t）=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5（1）

其約束條件為：

（2）

將式（2）代入式（1）中，得到五次多項(xiàng)式系數(shù)的表達(dá)式：

（3）

其中t0為起始時(shí)間，θ0為關(guān)節(jié)初始角度值，tm為終止時(shí)間，θm為終止位置的關(guān)節(jié)角度值。

給定各關(guān)節(jié)的初始和終止角度值和角加速度，將己知條件代入公式（3）中求解，可解出全部未知的系數(shù)，得到機(jī)器人的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃函數(shù)。

2? 裝配機(jī)器人Matlab和Adams聯(lián)合仿真

Matlab和Adams聯(lián)合仿真是在Matlab中根據(jù)裝配機(jī)器人的工作路徑進(jìn)行軌跡規(guī)劃，在adams中輸入關(guān)節(jié)軌跡函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)Adams中的機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)出功能將動(dòng)力學(xué)模型與Matlab中的simulink控制模塊組合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真[5]。

以工業(yè)內(nèi)燃機(jī)中零部件的裝配作業(yè)為例，將配件從抓取位置P0移動(dòng)至裝配位置Pf，完成部件的取送。首先在Adams中建立裝配機(jī)器人模型，在此選擇用solidworks三維建模而后將模型導(dǎo)入Adams中，定義相應(yīng)的關(guān)節(jié)連接和驅(qū)動(dòng)，關(guān)節(jié)副類(lèi)型如表1所示，裝配機(jī)器人模型如圖1所示。

抓取位P0和裝配位Pf的關(guān)節(jié)角位移值如表2所示。

因內(nèi)燃機(jī)配件裝配必須保證精準(zhǔn)可靠，裝配過(guò)程中應(yīng)盡量保持機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)速度突變，故關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)使用step5函數(shù)[6]。仿真時(shí)間設(shè)置為10s，設(shè)置好關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)及輸入輸出變量后，從Adams controls中導(dǎo)出M文件，如圖2所示。

在Matlab中運(yùn)行生成的M文件并運(yùn)行仿真，彈出simulink仿真模塊。由于在Adams中已設(shè)置關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在此不再做過(guò)多輸入控制?？刂齐娐纺Ｐ腿鐖D3所示。

啟動(dòng)simulink仿真，此時(shí)Adams也會(huì)伴隨啟動(dòng)，完成聯(lián)合仿真后系統(tǒng)輸出關(guān)節(jié)角位移、角速度和角加速度曲線，如圖4-圖6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，關(guān)節(jié)角度和角加速度變化平緩，無(wú)明顯突變，說(shuō)明裝配過(guò)程配件運(yùn)行平穩(wěn)，能夠準(zhǔn)確到達(dá)裝配位置，如圖4和圖5所示;聯(lián)合仿真中關(guān)節(jié)加速度出現(xiàn)跳變的情況，說(shuō)明關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受阻力影響，符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)裝配作業(yè)影響不大，如圖6所示。綜上可知，Matlab和Adams聯(lián)合仿真能夠很好的展現(xiàn)裝配機(jī)器人在內(nèi)燃機(jī)配件裝配作業(yè)中的運(yùn)行情況，驗(yàn)證了裝配機(jī)器人能夠按規(guī)劃的軌跡完成裝配作業(yè)。

3? 小結(jié)

針對(duì)裝配機(jī)器人實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)配件自動(dòng)裝配問(wèn)題，進(jìn)行了裝配機(jī)器人軌跡規(guī)劃，通過(guò)Matlab和Adams聯(lián)合仿真，結(jié)果較好的反映了系統(tǒng)的軌跡控制和動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證了裝配機(jī)器人完成裝配工作的可行性。通過(guò)軌跡規(guī)劃仿真，在無(wú)人化裝配作業(yè)中，給定配件的初始位置和終止位置，就可以精確完成配件裝配工作，為內(nèi)燃機(jī)配件裝配實(shí)現(xiàn)無(wú)人化作業(yè)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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