六自由度機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)

馮小廣，劉 磊

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

一般而言，工程機(jī)械臂是多輸入輸出、高非線性、強(qiáng)耦合的多體系統(tǒng)。機(jī)械臂基于自身動(dòng)力完成多種作業(yè)需求，可用于裝備制造、焊接檢測(cè)、重型裝配等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在礦山機(jī)械、智慧交通、航空航天、軍工制造等諸多領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)飛速發(fā)展，社會(huì)生產(chǎn)規(guī)模大、自動(dòng)化程度高，工程機(jī)械在整個(gè)生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。機(jī)械臂是各種工程機(jī)械設(shè)施的主要組成部件之一，其動(dòng)力學(xué)特性決定了工程機(jī)械整機(jī)的性能發(fā)揮。工程機(jī)械臂作業(yè)工況在一般情形下較為惡劣，所受載荷復(fù)雜。因此，為保證機(jī)械臂可靠運(yùn)行、安全作業(yè)并提高工作效率，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)尤為必要。

在機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，參考同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，憑借一定理論判斷以選定設(shè)計(jì)參數(shù)，再進(jìn)行校核計(jì)算。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，會(huì)導(dǎo)致工作量大、開發(fā)周期長(zhǎng)、效率低下等問題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)日益成熟，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)，在CAD 技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中，參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)是目前主流的發(fā)展方向之一。所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)是指將模型中的約束信息變量化，使之成為可以調(diào)整的參數(shù)，給變量化參數(shù)賦以不同數(shù)值，就可以得到不同大小和不同形狀的零件模型，這種設(shè)計(jì)方法效率高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，對(duì)形狀或功能相似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。用戶在設(shè)計(jì)輪廓時(shí)無(wú)需準(zhǔn)確定位和定形，只需勾畫出大致輪廓，然后通過修改標(biāo)注的尺寸值以達(dá)到最終形狀，或者只需將鄰近的關(guān)鍵部分定義為幾個(gè)參數(shù)，通過對(duì)參數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)在機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用不僅極大地提高了設(shè)計(jì)和繪圖效率，而且體現(xiàn)出很高的應(yīng)用價(jià)值。

目前，Chugunov 等研究了SolidWorks 二次開發(fā)程序在實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化方面的問題，對(duì)參數(shù)化建模與界面實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了比較全面的概述；Yu系統(tǒng)闡述了基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)和智能化裝配工作原理及簡(jiǎn)單的開發(fā)方法，以上方法提供了參數(shù)化設(shè)計(jì)思路，但未進(jìn)行相關(guān)實(shí)際應(yīng)用；Reddy 等基 于SolidWorks API（Application Programming Interface）開發(fā)了一套智能化的軸承設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)；張小鵬等基于SolidWorks 實(shí)現(xiàn)了球閥閥體參數(shù)化設(shè)計(jì)，該方法解決了參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中零部件的自動(dòng)生成問題，但并未涉及復(fù)雜裝配問題；劉宏新等采用關(guān)聯(lián)尺寸鏈驅(qū)動(dòng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)，該方法解決了參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中的數(shù)據(jù)沖突，但未準(zhǔn)確定義裝配關(guān)系。

綜上所述，機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的參數(shù)化技術(shù)得到了廣泛運(yùn)用，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，但其在工程機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于初步階段。因此，本文開展工程機(jī)械臂的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究，以六自由度工程機(jī)械臂為對(duì)象，開發(fā)出一套可視化操作界面的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員輸入相關(guān)零部件基本參數(shù)，系統(tǒng)可精準(zhǔn)、快速生成機(jī)構(gòu)的零部件、裝配體三維模型以及工程圖，避免了大量繁瑣建模工作，成功實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，從而極大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、節(jié)約了開發(fā)成本。同時(shí)，降低了對(duì)設(shè)計(jì)人員的專業(yè)要求，能夠滿足當(dāng)代機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的個(gè)性化與定制化新需求，為機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題提供了一種通用的新方法。

1 SolidWorks 二次開發(fā)技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)大多數(shù)通過三維軟件（如SolidWorks、Pro∕E、CATIA、UG 等）進(jìn)行二次開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)在輸入基本參數(shù)的情況下自動(dòng)建立零件的三維模型。SolidWorks 是一套基于Windows 平臺(tái)的優(yōu)秀三維設(shè)計(jì)軟件，具有用戶界面友好、上手快的優(yōu)點(diǎn)，采用特征建模、變量化驅(qū)動(dòng)可方便地實(shí)現(xiàn)三維建模、裝配并生成工程圖。

1.1 SolidWorks 二次開發(fā)方法

尺寸驅(qū)動(dòng)法與程序驅(qū)動(dòng)法為SolidWorks 二次開發(fā)的兩種主要方法。尺寸驅(qū)動(dòng)法基于零件模型結(jié)構(gòu)不變，通過編寫程序語(yǔ)言改變現(xiàn)有零件模型的相關(guān)尺寸以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。程序驅(qū)動(dòng)法又稱模型驅(qū)動(dòng)法，是通過應(yīng)用程序?qū)⒘慵S建模的全過程嚴(yán)格按照順序完成構(gòu)建。兩種方法都可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，各有其優(yōu)勢(shì)。尺寸驅(qū)動(dòng)法代碼程序量少、編程難度小，對(duì)于相似模型無(wú)需重復(fù)編程；程序驅(qū)動(dòng)法適用范圍廣，對(duì)于需要在設(shè)計(jì)過程中動(dòng)態(tài)生成零件的外形結(jié)構(gòu)情況下亦適用。

1.2 SolidWorks 二次開發(fā)原理

基于對(duì)象鏈接與嵌套技術(shù)OLE（Object Linking and Embedding）和基于對(duì)象模型重組技術(shù)COM（Component Object Model）是基于SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)的兩種原理。OLE 技術(shù)為微軟公司開發(fā)，通過嵌入技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈接輕松實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序間的數(shù)據(jù)互換。COM 技術(shù)為面向?qū)ο竽Ｊ剑瑢⑾到y(tǒng)功能分解為單一功能組件，在組件與組件之間、組件與開發(fā)人員之間制定統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)，再將各組件有序結(jié)合形成統(tǒng)一整體。

以O(shè)LE 技術(shù)或COM 技術(shù)為基礎(chǔ)的API 能函數(shù)是Solid-Works 提供的二次開發(fā)編程接口，開發(fā)人員可以便捷地調(diào)用API 函數(shù)開發(fā)出自己所需的應(yīng)用程序。用戶在應(yīng)用程序中對(duì)SolidWorks API 進(jìn)行操作，等效于在SolidWorks 軟件中進(jìn)行操作。

1.3 SolidWorks 二次開發(fā)工具

VB、VB.net、C++、C#等是適用于OLE 技術(shù)和COM 技術(shù)的計(jì)算機(jī)常用開發(fā)語(yǔ)言，都可以用來(lái)進(jìn)行SolidWorks 二次開發(fā)。開發(fā)者可根據(jù)自身需求選擇其中一種合適的作為開發(fā)語(yǔ)言。C#是一種語(yǔ)法簡(jiǎn)單、類型安全的面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言。作為當(dāng)前主流編程語(yǔ)言之一，作為SolidWorks二次開發(fā)的編程語(yǔ)言具有相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景。

2 機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用尺寸驅(qū)動(dòng)法與程序驅(qū)動(dòng)法相結(jié)合的方式，編程工具選用

C#

。機(jī)械臂參數(shù)化系統(tǒng)總體構(gòu)架包括三大部分：進(jìn)行人機(jī)交互的用戶層，傳遞設(shè)計(jì)參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能；處于系統(tǒng)核心的開發(fā)層，連接用戶層與數(shù)據(jù)層，提供技術(shù)支撐；負(fù)責(zé)儲(chǔ)存功能的數(shù)據(jù)層，儲(chǔ)存產(chǎn)品信息，提供數(shù)據(jù)支撐。通過在三者之間建立邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)，為用戶搭建簡(jiǎn)單、快捷的人機(jī)交互平臺(tái)。系統(tǒng)總體構(gòu)架框圖如圖2 所示。

Fig.1 System overall architecture圖1 系統(tǒng)總構(gòu)架

參數(shù)設(shè)計(jì)流程如圖3 所示，具體流程為：首先用戶登錄進(jìn)入可視化界面獲取零件的關(guān)鍵特征參數(shù)；然后根據(jù)所需模型修改設(shè)計(jì)參數(shù)，點(diǎn)擊生成模型，系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)所輸參數(shù)是否符合參數(shù)規(guī)范，若不符合將給出警告并返回上級(jí)重新輸入?yún)?shù)，若符合直接自動(dòng)更新設(shè)計(jì)參數(shù)并生成新的零件三維模型；最后將新零件模型進(jìn)行配合生成裝配體并保存；最后導(dǎo)出機(jī)械臂工程圖完成設(shè)計(jì)。

Fig.2 Parametric design flow圖2 參數(shù)設(shè)計(jì)流程

2.1 機(jī)械臂模型結(jié)構(gòu)

本文對(duì)機(jī)械臂模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)，機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，本文機(jī)械臂共有6個(gè)自由度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主要由底座、前臂、上臂、手腕、手爪、肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手爪關(guān)節(jié)組成。其中，底座起安裝與固定機(jī)器的作用；手爪用來(lái)抓取重物；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由前臂、上臂、手腕、手爪、肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)共同組成，使手爪完成移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及復(fù)合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)變更物體抓持姿勢(shì)與位置。機(jī)械臂自由度指機(jī)器所具有獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)決定，為抓取空間中任意方位的物體，最少需要6個(gè)自由度。自由度是機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，表示機(jī)械臂的靈活程度，但并不是自由度越多越好，隨著自由度的增加，其結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。

Fig.3 Overall structure of manipulator圖3 機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械臂零件模塊設(shè)計(jì)

本文選用尺寸驅(qū)動(dòng)法和程序驅(qū)動(dòng)法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)零件參數(shù)化建模。通過對(duì)系統(tǒng)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析，可以分為固定參數(shù)零部件和關(guān)鍵零部件，固定參數(shù)零部件是不經(jīng)過任何更改直接調(diào)用的零件，關(guān)鍵零部件是指需要經(jīng)過尺寸參數(shù)及特征的更改變化，重新進(jìn)行建模的零件。零件模塊的加載即對(duì)機(jī)械臂參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵零件進(jìn)行重新三維建模，其核心內(nèi)容便是對(duì)模型尺寸參數(shù)進(jìn)行修改。

將關(guān)鍵尺寸定義為全局變量，直接控制零件模型結(jié)構(gòu)變化。關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示，包括：底座直徑、高度、厚度；前臂高度、寬度、長(zhǎng)度、厚度；上臂高度、寬度、長(zhǎng)度、厚度。為保證參數(shù)設(shè)計(jì)合理，符合基本工程作業(yè)要求，通過制定相關(guān)參數(shù)規(guī)范進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

Table 1 Key parameters表1 關(guān)鍵參數(shù)

零級(jí)模型參數(shù)設(shè)計(jì)部分代碼如下：

2.3 機(jī)械臂裝配體模塊設(shè)計(jì)

自底向上設(shè)計(jì)方法（Bottom-Up）和自頂向下設(shè)計(jì)方法（Top-bottom）是模型裝配的兩種基本方式。兩種方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，Bottom-Up 的主要思路是先設(shè)計(jì)各零件，然后用零件組裝裝配體；Top-bottom 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)先從裝配體總裝出發(fā)，然后逐步傳遞到子裝配體、零件過程。

系統(tǒng)中的零件模型已通過參數(shù)化完成，因此本文采取Bottom-Up 方法進(jìn)行模型裝配。在裝配過程中選擇與零件接觸面最多的個(gè)體作為固定零件，以免在發(fā)生配合錯(cuò)誤時(shí)引起連鎖反應(yīng)。完成裝配主要分為3 步：首先導(dǎo)入零件模型，遵循先導(dǎo)入固定零件，再根據(jù)配合的難易程度導(dǎo)入其他關(guān)鍵零件；然后根據(jù)零件之間的相對(duì)位置通過基準(zhǔn)坐標(biāo)系、基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面等基準(zhǔn)特征反應(yīng)裝配約束關(guān)系。常用配合關(guān)系有垂直、重合、平行等；選定零件待配合面按照配合關(guān)系完成裝配。

裝配具體步驟和部分相關(guān)代碼如下：

2.4 機(jī)械臂工程圖模塊設(shè)計(jì)

工程圖模塊是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的最后部分，主要實(shí)現(xiàn)三維模型轉(zhuǎn)換二維工程圖功能，用于指導(dǎo)后期產(chǎn)品的制造加工。因此，工程圖模塊同樣至關(guān)重要，生成的圖紙質(zhì)量直接關(guān)系到成品優(yōu)劣。工程圖模塊中，通過提前建立好零件與裝配體模板，當(dāng)用戶輸入修改的模型設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，工程圖自動(dòng)隨之修改參數(shù)與其相匹配，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)標(biāo)注。

其部分代碼如下：

2.5 可視化界面設(shè)計(jì)

在Visual studio 中建立可視化界面，零件模塊、裝配體模塊、工程圖模塊的可視化操作界面如圖4—圖6 所示。用戶登錄進(jìn)入零件模塊獲取機(jī)械臂關(guān)鍵零件模型參數(shù)，通過輸入修改參數(shù)點(diǎn)擊生成按鈕就會(huì)重建相關(guān)零件模型。當(dāng)零件模型全部完成重建后導(dǎo)入裝配體模塊，點(diǎn)擊裝配體生成按鈕可進(jìn)行機(jī)械臂裝配。最后進(jìn)入工程圖模塊，可自動(dòng)生成模型工程圖。

Fig.4 Part module圖4 零件模塊

Fig.5 Assembly module圖5 裝配體模塊

Fig.6 Engineering drawing module圖6 工程圖模塊

系統(tǒng)各功能模塊中主要步驟運(yùn)行時(shí)間如表2 所示，其中人工繪制時(shí)長(zhǎng)參考作者本人，該方法大大節(jié)省了時(shí)長(zhǎng)，將繪圖效率提高了數(shù)十倍，并且此表僅為每個(gè)零部件尺寸修改一次的對(duì)比，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需反復(fù)修改，效率提高更為顯著。

Table 2 Comparison of system operating efficiency and manual efficiency表2 系統(tǒng)運(yùn)行效率與人工效率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文在Visual Studio2012 開發(fā)環(huán)境下，以C#為開發(fā)語(yǔ)言，應(yīng)用SolidWorksAPI 接口技術(shù)對(duì)SolidWorks2018 進(jìn)行二次開發(fā)，建立了基于尺寸驅(qū)動(dòng)法的六自由度機(jī)械臂快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、自動(dòng)生成裝配體、工程圖的導(dǎo)出等功能。用戶通過可視化界面，能夠快速精確地選擇和設(shè)計(jì)出滿足定制化的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，在確保設(shè)計(jì)質(zhì)量的前提下提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了開發(fā)成本，也為機(jī)械臂后續(xù)的動(dòng)力學(xué)研究、軌跡規(guī)劃奠定了基礎(chǔ)，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。該研究方法具備通用性，可應(yīng)用于其他同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研究，后續(xù)研究可考慮優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行效率、改善可視化界面以及添加其他功能模塊。