一种6自由度装校机器人工作空间分析.pdf

机械研究 与应用 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷 总 第1 2 8 期 研究与分析 一 种 6自由度装校机器人工作 空间分析 李诚 重庆 工程职 业技术 学院 重庆4 0 0 0 3 7 摘要 针对侧送模块作业特点和装校环境的要求 提出一种结构紧凑具有 6自由度的装校机器人 应用 D H法建 立机器人各连杆参考坐标系获得 D H参数 并求出机器人的运动学正解 基 于随机概率的蒙特卡洛方法 运用 MA T L A B软件编程 代入求得的位置方程得到整个机器人末端的三维工作空间图 结果分析表明装校机器人工作空 间满足装校作业要求 为进一步研究机器人动力学 轨迹规划及实时控制等奠定了理论基础 关键词 装校机器人 运动学 工作空间 蒙特卡洛方法 中图分类号 T P 2 4 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 3 0 6 0 0 3 1 0 3 The Kine m a t ics a nd W o r k s pa ce Ana l y s is o f a 6 DOF I n s t a l l ing Ca l ib r a t ing Ro bo t LI Ch e n g C h o n g q i n g V o ca t i o n a l I n s t it u t e o f E n g in e e r i n g C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 7 C h in a Ab s t r a ct Acco r d in g t o t h e wo r k in g ch a r a ct e ri s t ics a n d in s t a l l me n t e n v ir o n me n t s o f mo d u l e s a co mp a ct in s t a l l in g ca l ib r a t in g r o b o t w i t h 6 D O F w a s d e s i g n e d U s i n g D H m e t h o d s co o r d i n a t e s y s t e ms o f j o i n t s a r e s e t u p a n d D H p a r a me t e r s a r e o b t a in e d T h e n t h e f o r wa r d k in e ma t ic s o l u t io n a r e d e ri v e d B a s e d o n a r a n d o m p r o b a b il it y o f t h e Mo n t e Carl o me t h o d a n d u s in g MAT L AB s o f t w a r e t h e r o b o t S w o r k s p a ce imp a ct is g o t T h e r e s e arch r e s u l t s h a v e p r o v e d t h a t t h e d e s ig n e d co n f ig u r a t io n ca n s a t i s f y t h e n e e d s o f in s t a l l m e n t a ct i o n w h i ch w i l l p r o v id e a t h e o r e t ica l r e f e r e n ce for t h e r o b o t t 阳 j e ct o r y p l a n n i n g d y n a m i c a n a l y s is a nd o n l ine r e a l t ime ca l cu l a t io n Ke y wo r d s in s t a l l in g ca l ib r a t in g r o b o t k in e ma t ic a n aly s is w o r k s p a ce Mo n t e C a r l o me t h o d 1 机构构建 机器人运动学分析是性能分析和动力学分析的 基础 对一个新型机构来说 运动学分析是机构分析 的前提和基 础 是机 器人 机构设 计 的首 要任务 j 通过对装校机器人的作业环境 作业对象和作业全流 程进行分析 机构应具有工作空 间范 围大 承载能力 好 刚度高 结构和控制简单 耦合程度低等特点 据 上述要求 构建 出一种 功能完备 结构合 理 避 障性 好 满足多种侧送光学模块装校作业要求具有 6自由 度的串联机构形式装校机器人 如图 1 2所示 立挫 2 升降 台 3 侧送支架 4 摇臂 5 调节机构 图 1 6自由度装校机器人结构图 图2 6自由度装校机器人机构简图 该机器人主要 由立柱 升降台 侧送支架 摇臂和 调节机构等五大部件组成 其主体部件立柱垂直于 机构底座 立柱 内两侧安装有垂直升 降用的直线导 轨 升降 台垂直面上安装有两根侧送导轨 为了尽可 能增加侧送位移 在确保结构安全的前提下每根侧送 导轨上只安装了一个运动滑块 侧送支架通过转动副 与一 固定长度的摇臂相连 摇臂另一端与末端执行器 连接 装校机器人作业方式 以垂直方 向的提升和水 平面内的侧向运动为主 升降机构 侧送机构 摇臂 收稿 日期 2 0 1 3 1 0 0 9 基金项 目 重庆市煤矿安全生产科技项 目 编号 2 0 1 3 0 9 作者简介 李诚 1 9 7 2 一 男 河南 焦作人 工程 师 博士 主要从事机械设计及机电一体化技术方 面的研究工作 31 研究与分析 2 0 1 3 年 第6 期 第2 6 卷 总 第1 2 8 期 杌械研究与应用 决定 了模块的位置 使模块能够沿 y方 向移动 和 绕 z轴旋转一定 角度 调节机构 的作用是对模块 的 姿态进行微调 使模块能够绕 z轴旋转一定角 度 类似于人的手腕 2 运动学正解 机器人的正运动学 问题是已知机器人各个关节 的参数 求末端执行器的位置和姿态 对其正运动学 方程 的研究可 以准确描述机器人各个杆件的位置 方 向及位移之间的关系 为机器人的运动控制提供分析 的手段和方法 也是建立动力学方程和误差分析模型 的基础 采用 D H法 D e n a v it Ha r t e n b e r g Ma t r ix 建 立装校机器人坐标系并推导机器人运动学方程 图 2 为装校机器人 D H坐标系 其基座坐标系 0 设于 升降丝杆轴线在基座上 的投影处 机器人末端连杆关 节 6的坐标系 6 建立在关节 4 5 6的轴线的交点 处 工具端部设在被装校作业对象中心处 其各连杆 参数及关节变量如表 1所列 表 1 连杆参数及关节变量 i 0 a a i mm d mm 相邻两连杆坐标系的齐次坐标变换矩阵A 可表 示为 A c s O C O l s O S Ol 0 cO s cO C Ol cO S Ol a s O 0 S Ol c d 0 0 0 l 装校机器人具有 6个 自由度 由表 1 和式 1 可求 得各连杆的A矩阵 再将求得的A矩阵由A 到 4 依次右乘就可得到装校机器人基座坐标系和末端连 杆坐标系之间的总变换 r6 AlA2 A3 A4 A5 A6 式 2 中 P a 3 c 3 a 2 al P a 3 3一 d 2 3 2 a P 0 y p a P O 1 2 P d 4 d 1 其 中 S s in 0 C C O S 0 i 1 2 6 将 右乘以 就得到工具端部和基 座之间的 总变换 a P a Py a P 0 1 3 式 3 中 P C 3 C 4一S 3 S 4 s 5 d a3 c 3 n2 口1 P c3 S 4 3 C 4 S 5 d 口 3 S 3一d 2 4 P 一 5 d d 4 dl 式 4 中的连杆长度 a a 0 d d根据装校机 器人具体结构尺寸确定为 口 1 5 0 m m a 4 8 0 mm a 3 5 0 0 m m d 4 一 1 1 0 mm d 5 0 0 m m 而各变量范 围要求如下 0 3 一 1 0 5 1 0 5 0 4 1 4 0 1 4 0 0 5 8 0 1 0 0 0 6 8 0 1 0 0 d 1 2 0 0 m m 1 9 5 0 m m d 2 一 2 6 0 mm 2 6 0 m m 当各变量初始值分别为 d 6 1 0 d 0 0 9 0 0 4 9 0 0 9 0 0 9 0 时 带人式 3 可求得 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 3 0 0 50 0 0 5 0 0 0 1 5 所得结果与三维模