基于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的綜述

周　浩　 劉　柱 / 重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院

基于工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的綜述

周浩 劉柱 / 重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院

本文主要針對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的分析方法進(jìn)行了綜述，主要有D-H法、MATLAB工具箱法、Adams軟件法以及CATIA軟件法。D-H分析法能夠得出空間位置解析式，但不能直觀觀察機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)以及不能分析速度與加速度，而M ATLAB、Adams、CATIA軟件不僅能夠觀察機(jī)構(gòu)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況，還能夠分析速度與加速度。

工業(yè)機(jī)器人； D-H；三維軟件； MATLAB；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

引言

作為人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，機(jī)器人在短短的幾十年內(nèi)發(fā)生了日新月異的變化，機(jī)器人技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不但使傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)面貌發(fā)生根本性變化，而且將對(duì)人類的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。機(jī)器人廣泛應(yīng)用于社會(huì)的各行各業(yè)，包括：醫(yī)療、機(jī)械、物流、制造、汽車等。工業(yè)機(jī)器人主要有關(guān)節(jié)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人、直角坐標(biāo)型機(jī)器人。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)用，它的運(yùn)動(dòng)空間位置與速度、加速度是十分重要的。因此，本文主要敘述了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析的方法。

1 .D-H法

D-H法是1995年由Denavit和Hartenberg提出的一種建立相對(duì)位姿的矩陣方法。多自由度機(jī)器人是具有多個(gè)關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間位置，在之前的各個(gè)關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系（如圖1），再利用齊次變換描述各個(gè)連桿相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系的空間幾何關(guān)系，即用一個(gè)4 4的齊次變換矩陣描述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出“末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系”相對(duì)于“基坐標(biāo)系”的等價(jià)齊次變換矩陣，建立執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

圖1　三自由度工業(yè)機(jī)械手臂D-H模型

在建立空間位姿方程以后，需要對(duì)位姿方程進(jìn)行仿真分析。仿真的方法主要有：圖解法、解析法、數(shù)值法。圖解法直觀但易受自由度的影響，解析法精度高，但是不直觀、通用性不強(qiáng)。因此，一般采用數(shù)值法，充分利用計(jì)算機(jī)的圖像和數(shù)據(jù)處理能力。一般采用概率論里的蒙特卡洛方法，即通過MATLAB軟件的rand（）函數(shù)產(chǎn)生位姿方程的關(guān)節(jié)變量隨機(jī)值，再帶入位置方程，得到末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)參考點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后利用plot3函數(shù)畫出空間的點(diǎn)，最后就得到了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置工作空間（如圖2）。

對(duì)圖2工作空間分析可以得出：D-H分析方法能夠較為準(zhǔn)確的分析機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作空間，但是不能直接觀察機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不夠直觀。另外，對(duì)于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加速度分析主要利用運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解以及各機(jī)構(gòu)的幾何位置關(guān)系，推導(dǎo)較為復(fù)雜。

2 .軟件求解法

2.1MATLAB軟件

MATLAB是一個(gè)功能強(qiáng)大的軟件，在其中包含了許多的專業(yè)工程應(yīng)用領(lǐng)域的工具箱，Robotics-toolbox工具箱就可以應(yīng)用在D-H結(jié)果分析。要使用工具箱對(duì)工業(yè)機(jī)器人對(duì)象的建立，就需要Robotics-toolbox工具箱集成的大量庫函數(shù)。對(duì)于給出的D-H參數(shù)，利用Link函數(shù)與Robot函數(shù)建立模型，再利用Drivebot函數(shù)生成三維模型，最后驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)標(biāo)尺的滑塊，觀察末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間運(yùn)動(dòng)情況（如圖2）。對(duì)于空間工作位置的數(shù)據(jù)獲取，需要利用Fkine函數(shù)。當(dāng)然，MATLAB軟件可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人做速度與加速度的分析，主要利用Fdyd函數(shù)和Accel函數(shù)。其中，F(xiàn)dyd函數(shù)得到關(guān)節(jié)的速度向量，Accel函數(shù)得到關(guān)節(jié)的加速度向量。

圖2　MATLAB工具箱建立模型

2.2Adams軟件

Adams軟件是美國MDI公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，它使用交互式圖形環(huán)境，能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析得到速度、加速度、位移曲線。專業(yè)的仿真軟件Adams不僅能夠直接觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，還能求出機(jī)器人的工作空間以及工作性能曲線。

具體操作過程：在三維建模軟件UG里建好機(jī)器人模型后導(dǎo)入Adams軟件，在Adams里添加運(yùn)動(dòng)副，計(jì)算機(jī)構(gòu)的自由度，自由度為0才可以進(jìn)行仿真。然后制定運(yùn)動(dòng)方案，對(duì)模型施加驅(qū)動(dòng)副（一般為Adams的庫函數(shù)），最后進(jìn)行仿真。通過仿真，我們可以得到仿真的動(dòng)畫、工作空間以及速度的數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理我們就能夠直觀、準(zhǔn)確的對(duì)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間以及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析了。

對(duì)于Adams軟件能夠直觀、較準(zhǔn)確的分析末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間工作情況，但是這是基于其中的庫函數(shù)，對(duì)于庫函數(shù)，中間的迭代過程存在精度問題，會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差。

2.3CATIA軟件

CATIA軟件是由法國Dassault System公司旗下的CAD/CAE/ CAM一體化軟件，它具有零件設(shè)計(jì)、裝配、仿真等功能。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，我們也可以采用CATIA軟件進(jìn)行分析。

首先將工業(yè)機(jī)器人的底座、各關(guān)節(jié)、連桿等零件畫好，再進(jìn)入CATIA軟件裝配設(shè)計(jì)模塊，將各個(gè)零件按相和與接觸的關(guān)系裝配好，得到三維實(shí)體模型。然后，進(jìn)入DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊，設(shè)置好驅(qū)動(dòng)件后，自由度為0才可以仿真。其中，必須對(duì)驅(qū)動(dòng)件進(jìn)行法則曲線的繪制，即為驅(qū)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。其次，利用軟件的測量功能對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的空間位置以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的一點(diǎn)相對(duì)應(yīng)基座的速度、加速度進(jìn)行測量。最后，利用法則曲線對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，激活傳感器記錄測量的空間位置以及速度、加速度。將測得的數(shù)據(jù)處理之后就可以得到工作空間以及速度、加速度。

3 .總結(jié)

D-H分析通過蒙特卡洛仿真的方法能夠較為準(zhǔn)確的對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，但不夠直觀，對(duì)加速度與速度的分析較為復(fù)雜。當(dāng)然，我們可以充分利用MATLAB的工具箱，Robotics-toolbox是專門針對(duì)機(jī)器人研究的工具箱，可以利用工具箱的Fkine函數(shù)進(jìn)行工作空間的分析，也可以利用工具箱的Fdyd 和Qdd函數(shù)進(jìn)行關(guān)節(jié)的位移與速度分析。

Adams軟件求解直觀、簡單，能夠?qū)I(yè)機(jī)器人進(jìn)行工作空間、速度、加速度分析。另外，我們可以利用三維建模軟件CATIA的DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行仿真，直接在CATIA建立模型裝配約束后，根據(jù)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃畫出法則曲線，然后進(jìn)入DMU模塊進(jìn)行仿真。

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