多自由度工业机械手臂的机械结构设计-关节式四自由度含开题、SW三维仿真及12CAD图
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自由度
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多自由度工业机械手臂的机械结构设计-关节式四自由度含开题、SW三维仿真及12CAD图,自由度,工业,机械,手臂,结构设计,关节,开题,SW,三维,仿真,12,CAD
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学 号： 外文出处： 2020 J.Phys.：Conf.Ser. 1574 012156 六自由度机械手的路径规划仿真Junhao Zhang, Xingbo Yang, Yawei Li and Ningbo ZhangCollege of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, ChinaCorresponding author e-mail: 728589910摘要：随着制造业自动化和智能技术的发展，工业机器人已成为智能化工厂的重要组成部分。在实际应用中，所实现的所有功能均由机械手实现。事实证明，合理的机械手路径规划有助于减少机械零件在运行过程中的损失和冲击，大大提高机械手的使用寿命，也有助于提高机械手的控制精度。本文以六自由度机械臂为研究对象，设计了该机械臂的运动路径规划方案，并通过PVDF材料动态仿真实验进行了验证。 结果表明，本文设计的机械手运动路径比最短路径抓取材料所需的时间更少，操作精度更高。关键词：机械手；动态仿真；运动路径1. 引言近年来，随着“工业4.0”和“中国制造2025”计划的提出，制造业正朝着智能化发展。工业机器人已成为现代智能工厂中不可或缺的设备，主要适用于快速，准确和重复的工作。机械手的轨迹决定了生产和制造的质量。为了使机器人在未知的工作环境中按预期方式运动并高效稳定地完成工作，需要提高机械手的操作精度。本文以六自由度操纵器为研究对象，并利用MATLAB软件对其运动路径进行了仿真规划研究。2. 六自由度机械手的运动学分析在机械手的正向和反向运动期间，坐标系会发生变化，因此有必要沿X轴和Z轴执行旋转，平移和其他处理，以获得新的坐标系并使用齐次变化矩阵来求解。 以下是从Oi-1 坐标系到Oi 坐标系的转换，转换顺序如下：（1） 以为轴旋转坐标系，旋转角度为，且X轴方向变化前后保持不变;（2） 以为轴进行坐标系平移处理，移动距离为，X轴方向不变前后保持不变； （3） 沿轴方向平移，移动距离为 ，Oi-1坐标系的原点与Oi 坐标系的原点重合； （4） 坐标系以为轴进行旋转，旋转角度为，Z轴方向变化前后保持不变。按照上述步骤进行处理后，将Oi-1坐标系转换为Oi 坐标系，得到的齐次变换矩阵如下： （1）本文研究的六自由度机械手的D-H参数如表1所示。表1.机器人机械手的D-H参数关节数量190160020350039013004-90042559000600133.5将表1中的参数代入齐次变换矩阵，计算相邻关节变换矩阵的乘积，得到机械手的前向运动值。 （2）逆向运动解的原理与正向运动解的原理相同。通过坐标转换处理，将参数值代入得到，这里不再赘述。3. 机械手的轨迹规划机械手的轨迹规划可以以起点和终点运动形成的关节角为分析对象，通过构造插补函数展开描述。例如，设置四个约束条件来约束关节运动的起点和终点，以保证形成的轨迹是连续的。一般使用下面的三次多项式来描述。 （3）推导式(3)可以得到机械手运动的速度和加速度，将得到的结果代入初始条件，得到各参数值，从而得到运动轨迹函数。三次多项式轨迹规划相对简单，适用于工件夹持方式相对单一的情况。由于某些工程加工制造涉及的工件类型较多，本文研究了机械手关节空间的运动轨迹，介绍了摆线曲线规划方法，针对较复杂的工作条件规划了空间运动轨迹。该规划方法生成的运行轨迹相对稳定，不存在抖动。在有限的区间内，如果目标点在终点位置，得到的加速度和速度均为0，大大降低了轨迹规划的难度。重点规划对象是起点和焦点，减少了中间运动过程的规划。4. 六自由度机械臂PVDF杆抓取运动路径规划的仿真实验本文以PVDF抓杆运动为例，对机械手运动路径规划进行了仿真实验研究。根据棒材制造和搬运的要求，设计了物料搬运任务，明确了机械臂夹持运动任务，规划了运动路径，并在搭建的仿真平台上对机械臂的运动路径进行了仿真。通过观察仿真结果，判断路径规划方案能否有效控制机械手的操作，完成抓取物料的任务。4.1抓取任务在本次仿真实验设计中，部署了抓取单个目标材料和抓取多个目标材料两种抓取任务，并采用“最短路径”方法作为对照组。(1) 单目标材料抓取任务选择PVDF杆作为抓取目标材料，分别将材料悬挂到10个不同的位置，固定机械手的空间位置，模拟机械手抓取这10个目标材料所花费的时间。(2) 多个目标物料抓取任务选择PVDF杆作为抓取目标物料，机械手的空间位置固定。设计了五套测试实验。材料个数依次为2、3、4、5、6，模拟测试单个PVDF材料的平均抓取时间和平均抓取时间。4.2运动路径规划在PVDF杆的加工制造过程中，机械手可能面临多重抓取任务。为了提高机械手的操作效率，需要保证关节角加权值为最小。因此，实验路径规划基于关节角加权最小的原理，设计相应的运动路径函数。用数学语言描述PVDF棒材加工制造机械手的运动:若机械手在执行抓取任务时处于位置，则需要抓取的物料个数为n，放置物料的空间位置分别标为，计算六自由度关节空间变量，根据机械臂能耗最小的原则，规划抓取顺序，并按照抓取顺序完成所有物料的抓取。最优抓取路径的生成以机械臂的旋转角度总和最小为前提，得到单关节时间消耗和能量消耗最小的目标函数。忽略其他因素，能量消耗最小耗时最小，多个关节完成抓握操作累积耗时结果11。以下是抓取路径规划的最佳功能: （4）式(4)中，P为目标函数，即反应能量消耗;n为通过的空间点个数;m为节点个数;4.3实验平台在本次实验研究中，搭建实验平台如图1所示。然后构造机械手的坐标系，确定机械手与坐标系的相对位置;将物料悬浮在不同位置，利用MATLAB平台对机械手抓取物料的情况进行测试和仿真。图1所示：实验平台4.4仿真结果分析在本次仿真测试与分析中，将机械手应用于单PVDF抓料环境和多抓料环境，测试机械手抓取运动路径规划方案的可靠性。将机械手放置在初始位置，用缆绳悬挂PVDF杆料，根据第五关节分割方法计算抓取物料的姿态，沿上述运动路径完成抓取作业，并在仿真界面上生成耗时的抓取物料数据。(1) 单次PVDF材料抓取模拟试验本实验将材料放置在不同的空间位置，测试机械手是否能够准确抓取材料，并测试每次抓取材料的时间和10个实验材料的平均抓取时间。表2为单次PVDF抓料模拟测试结果。表2 PVDF单片材料抓取仿真测试结果测试材料的位置(m)是否抓取抓住时间(s)测试材料的位置(m)是否抓取抓住时间(s)1(0.61,0.31,0.50)是27.36(0.31,-0.3,0.69)是25.72(0.49,0.31,0.52)是25.57(0.41,-0.24,0.6)是21.63(0.22,-0.5,0.49)是22.28(0.21,0.49,0.60)是27.94(0.59,0,0.64)是24.69(0.11,-0.49,0.7)是23.65(0.21,0.59,0.39)是28.610(0.40,0.49,0.49)是27.8根据表2的统计结果可知，本研究设计的机器人抓取物料运动路径能够准确抓取物料，耗时范围为21.6s 28.6s，平均时间为25.48s。因此，本研究方案满足了制造过程中单个工件的抓取。(2) 多PVDF材料抓取模拟试验对于多材料抓取模拟实验，也选择“最短路径”法作为对照组。随着材料数量的增加，比较观察单个PVDF材料的平均抓取时间和平均抓取时间。结果如表3所示。表3 多个PVDF材料抓取仿真测试结果PVDF材料数量单种PVDF材料平均抓取时间(s)平均抓住时间(s)本文的研究方法“最短路径”的方法本文的研究方法“最短路径”的方法2个19.2419.2438.638.63个18.5818.6655.756.14个17.2417.5669.170.35个16.3916.8581.984.36个16.2116.5797.299.4通过对比统计结果在表3中,可以看出机械手的抓取动作的时间路径提出了研究是相对较短的,和一个PVDF材料的平均把握时间或增加的材料数量小于“最短路径”的方法。为了挖掘本研究提出的机械手抓取物料的特性，将本研究机械手抓取路径耗时数据单独统计并绘制成图，如图2所示。图2 机械手抓取物料的时间与时间增加的关系在图2中，横坐标表示PVDF材料的数量，值为1,2,3,4,5,6，纵坐标表示单个PVDF材料的平均拾取时间。从图2的曲线趋势可以看出，随着PVDF材料数量的增加，机械手抓取单个PVDF材料的时间逐渐减少。当抓料个数达到5时，耗时曲线逐渐趋于平缓，变化不大。因此，在本研究中，机械手抓取5-6 PVDF材料时具有较高的效率。当材料数量较
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