一種抓取圓棒取料手的機(jī)械設(shè)計-關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手含開題、SW三維仿真及8張CAD圖

一種抓取圓棒取料手的機(jī)械設(shè)計-關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)械手含開題、SW三維仿真及8張CAD圖,一種,抓取,圓棒取料手,機(jī)械設(shè)計,關(guān)節(jié),工業(yè),機(jī)械手,開題,SW,三維,仿真,CAD 外文出處： 2020 J.Phys.：Conf.Ser. 1574 012156 六自由度機(jī)械手的路徑規(guī)劃仿真 Junhao Zhang, Xingbo Yang, Yawei Li and Ningbo Zhang College of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, China Corresponding author e-mail: 728589910@qq.com 摘要：隨著制造業(yè)自動化和智能技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人已成為智能化工廠的重要組成部分。在實際應(yīng)用中，所實現(xiàn)的所有功能均由機(jī)械手實現(xiàn)。事實證明，合理的機(jī)械手路徑規(guī)劃有助于減少機(jī)械零件在運(yùn)行過程中的損失和沖擊，大大提高機(jī)械手的使用壽命，也有助于提高機(jī)械手的控制精度。本文以六自由度機(jī)械臂為研究對象，設(shè)計了該機(jī)械臂的運(yùn)動路徑規(guī)劃方案，并通過PVDF材料動態(tài)仿真實驗進(jìn)行了驗證。 結(jié)果表明，本文設(shè)計的機(jī)械手運(yùn)動路徑比最短路徑抓取材料所需的時間更少，操作精度更高。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；動態(tài)仿真；運(yùn)動路徑 1. 引言 近年來，隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”計劃的提出，制造業(yè)正朝著智能化發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人已成為現(xiàn)代智能工廠中不可或缺的設(shè)備，主要適用于快速，準(zhǔn)確和重復(fù)的工作。機(jī)械手的軌跡決定了生產(chǎn)和制造的質(zhì)量。為了使機(jī)器人在未知的工作環(huán)境中按預(yù)期方式運(yùn)動并高效穩(wěn)定地完成工作，需要提高機(jī)械手的操作精度。本文以六自由度操縱器為研究對象，并利用MATLAB軟件對其運(yùn)動路徑進(jìn)行了仿真規(guī)劃研究。 2. 六自由度機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)分析 在機(jī)械手的正向和反向運(yùn)動期間，坐標(biāo)系會發(fā)生變化，因此有必要沿X軸和Z軸執(zhí)行旋轉(zhuǎn)，平移和其他處理，以獲得新的坐標(biāo)系并使用齊次變化矩陣來求解。 以下是從{Oi-1} 坐標(biāo)系到{Oi }坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換順序如下： （1） 以為軸旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，旋轉(zhuǎn)角度為，且X軸方向變化前后保持不變; （2） 以為軸進(jìn)行坐標(biāo)系平移處理，移動距離為，X軸方向不變前后保持不變； （3） 沿軸方向平移，移動距離為 ，{Oi-1}坐標(biāo)系的原點(diǎn)與{Oi }坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合； （4） 坐標(biāo)系以為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度為，Z軸方向變化前后保持不變。 按照上述步驟進(jìn)行處理后，將{Oi-1}坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為{Oi }坐標(biāo)系，得到的齊次變換矩陣如下： （1） 本文研究的六自由度機(jī)械手的D-H參數(shù)如表1所示。 表1.機(jī)器人機(jī)械手的D-H參數(shù) 關(guān)節(jié)數(shù)量 1 90 160 0 2 0 350 0 3 90 130 0 4 -90 0 425 5 90 0 0 6 0 0 133.5 將表1中的參數(shù)代入齊次變換矩陣，計算相鄰關(guān)節(jié)變換矩陣的乘積，得到機(jī)械手的前向運(yùn)動值。 （2） 逆向運(yùn)動解的原理與正向運(yùn)動解的原理相同。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換處理，將參數(shù)值代入得到，這里不再贅述。 3. 機(jī)械手的軌跡規(guī)劃 機(jī)械手的軌跡規(guī)劃可以以起點(diǎn)和終點(diǎn)運(yùn)動形成的關(guān)節(jié)角為分析對象，通過構(gòu)造插補(bǔ)函數(shù)展開描述。例如，設(shè)置四個約束條件來約束關(guān)節(jié)運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)，以保證形成的軌跡是連續(xù)的。一般使用下面的三次多項式來描述。 （3） 推導(dǎo)式(3)可以得到機(jī)械手運(yùn)動的速度和加速度，將得到的結(jié)果代入初始條件，得到各參數(shù)值，從而得到運(yùn)動軌跡函數(shù)。 三次多項式軌跡規(guī)劃相對簡單，適用于工件夾持方式相對單一的情況。由于某些工程加工制造涉及的工件類型較多，本文研究了機(jī)械手關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動軌跡，介紹了擺線曲線規(guī)劃方法，針對較復(fù)雜的工作條件規(guī)劃了空間運(yùn)動軌跡。該規(guī)劃方法生成的運(yùn)行軌跡相對穩(wěn)定，不存在抖動。在有限的區(qū)間內(nèi)，如果目標(biāo)點(diǎn)在終點(diǎn)位置，得到的加速度和速度均為0，大大降低了軌跡規(guī)劃的難度。重點(diǎn)規(guī)劃對象是起點(diǎn)和焦點(diǎn)，減少了中間運(yùn)動過程的規(guī)劃。 4. 六自由度機(jī)械臂PVDF桿抓取運(yùn)動路徑規(guī)劃的仿真實驗 本文以PVDF抓桿運(yùn)動為例，對機(jī)械手運(yùn)動路徑規(guī)劃進(jìn)行了仿真實驗研究。根據(jù)棒材制造和搬運(yùn)的要求，設(shè)計了物料搬運(yùn)任務(wù)，明確了機(jī)械臂夾持運(yùn)動任務(wù)，規(guī)劃了運(yùn)動路徑，并在搭建的仿真平臺上對機(jī)械臂的運(yùn)動路徑進(jìn)行了仿真。通過觀察仿真結(jié)果，判斷路徑規(guī)劃方案能否有效控制機(jī)械手的操作，完成抓取物料的任務(wù)。 4.1抓取任務(wù) 在本次仿真實驗設(shè)計中，部署了抓取單個目標(biāo)材料和抓取多個目標(biāo)材料兩種抓取任務(wù)，并采用“最短路徑”方法作為對照組。 (1) 單目標(biāo)材料抓取任務(wù)選擇PVDF桿作為抓取目標(biāo)材料，分別將材料懸掛到10個不同的位置，固定機(jī)械手的空間位置，模擬機(jī)械手抓取這10個目標(biāo)材料所花費(fèi)的時間。 (2) 多個目標(biāo)物料抓取任務(wù)選擇PVDF桿作為抓取目標(biāo)物料，機(jī)械手的空間位置固定。設(shè)計了五套測試實驗。材料個數(shù)依次為2、3、4、5、6，模擬測試單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。 4.2運(yùn)動路徑規(guī)劃 在PVDF桿的加工制造過程中，機(jī)械手可能面臨多重抓取任務(wù)。為了提高機(jī)械手的操作效率，需要保證關(guān)節(jié)角加權(quán)值為最小[10]。因此，實驗路徑規(guī)劃基于關(guān)節(jié)角加權(quán)最小的原理，設(shè)計相應(yīng)的運(yùn)動路徑函數(shù)。用數(shù)學(xué)語言描述PVDF棒材加工制造機(jī)械手的運(yùn)動:若機(jī)械手在執(zhí)行抓取任務(wù)時處于位置，則需要抓取的物料個數(shù)為n，放置物料的空間位置分別標(biāo)為，計算六自由度關(guān)節(jié)空間變量，根據(jù)機(jī)械臂能耗最小的原則，規(guī)劃抓取順序，并按照抓取順序完成所有物料的抓取。最優(yōu)抓取路徑的生成以機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)角度總和最小為前提，得到單關(guān)節(jié)時間消耗和能量消耗最小的目標(biāo)函數(shù)。忽略其他因素，能量消耗最小耗時最小，多個關(guān)節(jié)完成抓握操作累積耗時結(jié)果[11]。以下是抓取路徑規(guī)劃的最佳功能: （4） 式(4)中，P為目標(biāo)函數(shù)，即反應(yīng)能量消耗;n為通過的空間點(diǎn)個數(shù);m為節(jié)點(diǎn)個數(shù); 4.3實驗平臺 在本次實驗研究中，搭建實驗平臺如圖1所示。然后構(gòu)造機(jī)械手的坐標(biāo)系，確定機(jī)械手與坐標(biāo)系的相對位置;將物料懸浮在不同位置，利用MATLAB平臺對機(jī)械手抓取物料的情況進(jìn)行測試和仿真。 圖1所示：實驗平臺 4.4仿真結(jié)果分析 在本次仿真測試與分析中，將機(jī)械手應(yīng)用于單PVDF抓料環(huán)境和多抓料環(huán)境，測試機(jī)械手抓取運(yùn)動路徑規(guī)劃方案的可靠性。將機(jī)械手放置在初始位置，用纜繩懸掛PVDF桿料，根據(jù)第五關(guān)節(jié)分割方法計算抓取物料的姿態(tài)，沿上述運(yùn)動路徑完成抓取作業(yè)，并在仿真界面上生成耗時的抓取物料數(shù)據(jù)。 (1) 單次PVDF材料抓取模擬試驗本實驗將材料放置在不同的空間位置，測試機(jī)械手是否能夠準(zhǔn)確抓取材料，并測試每次抓取材料的時間和10個實驗材料的平均抓取時間。表2為單次PVDF抓料模擬測試結(jié)果。 表2 PVDF單片材料抓取仿真測試結(jié)果 測試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時間(s) 測試 材料的位置(m) 是否抓取 抓住時間(s) 1 (0.61,0.31,0.50) 是 27.3 6 (0.31,-0.3,0.69) 是 25.7 2 (0.49,0.31,0.52) 是 25.5 7 (0.41,-0.24,0.6) 是 21.6 3 (0.22,-0.5,0.49) 是 22.2 8 (0.21,0.49,0.60) 是 27.9 4 (0.59,0,0.64) 是 24.6 9 (0.11,-0.49,0.7) 是 23.6 5 (0.21,0.59,0.39) 是 28.6 10 (0.40,0.49,0.49) 是 27.8 根據(jù)表2的統(tǒng)計結(jié)果可知，本研究設(shè)計的機(jī)器人抓取物料運(yùn)動路徑能夠準(zhǔn)確抓取物料，耗時范圍為21.6s ~ 28.6s，平均時間為25.48s。因此，本研究方案滿足了制造過程中單個工件的抓取。 (2) 多PVDF材料抓取模擬試驗 對于多材料抓取模擬實驗，也選擇“最短路徑”法作為對照組。隨著材料數(shù)量的增加，比較觀察單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。結(jié)果如表3所示。 表3 多個PVDF材料抓取仿真測試結(jié)果 PVDF材料數(shù)量 單種PVDF材料平均抓取時間(s) 平均抓住時間(s) 本文的研究方法 “最短路徑”的方法 本文的研究方法 “最短路徑”的方法 2個 19.24 19.24 38.6 38.6 3個 18.58 18.66 55.7 56.1 4個 17.24 17.56 69.1 70.3 5個 16.39 16.85 81.9 84.3 6個 16.21 16.57 97.2 99.4 通過對比統(tǒng)計結(jié)果在表3中,可以看出機(jī)械手的抓取動作的時間路徑提出了研究是相對較短的,和一個PVDF材料的平均把握時間或增加的材料數(shù)量小于“最短路徑”的方法。 為了挖掘本研究提出的機(jī)械手抓取物料的特性，將本研究機(jī)械手抓取路徑耗時數(shù)據(jù)單獨(dú)統(tǒng)計并繪制成圖，如圖2所示。 圖2 機(jī)械手抓取物料的時間與時間增加的關(guān)系 在圖2中，橫坐標(biāo)表示PVDF材料的數(shù)量，值為1,2,3,4,5,6，縱坐標(biāo)表示單個PVDF材料的平均拾取時間。從圖2的曲線趨勢可以看出，隨著PVDF材料數(shù)量的增加，機(jī)械手抓取單個PVDF材料的時間逐漸減少。當(dāng)抓料個數(shù)達(dá)到5時，耗時曲線逐漸趨于平緩，變化不大。因此，在本研究中，機(jī)械手抓取5-6 PVDF材料時具有較高的效率。當(dāng)材料數(shù)量較少時，本文設(shè)計的運(yùn)動路徑的優(yōu)勢不明顯。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)實際情況設(shè)計機(jī)械手的運(yùn)動路徑。 5. 結(jié)論 本文對六自由度機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，規(guī)劃了機(jī)械手抓取工件材料的運(yùn)動路徑。仿真測試結(jié)果表明，當(dāng)需要抓取的材料較多時，本研究規(guī)劃的運(yùn)動路徑所花費(fèi)的時間比“最短路徑”運(yùn)動路徑所花費(fèi)的時間要少。隨著抓料數(shù)量的增加，平均耗時更少。當(dāng)抓取物料數(shù)量達(dá)到5個時，機(jī)械手抓取物料的時間不再減少。