基于MATLAB的六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析與仿真

李鍶 祝新洋 湖南理工學(xué)院

引言

從我國(guó)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度來(lái)看可謂是日新月異，在各個(gè)行業(yè)的發(fā)展中機(jī)械的智能性在工業(yè)的發(fā)展中融入性越來(lái)越強(qiáng)，其中工程發(fā)展中機(jī)械手臂的運(yùn)用在發(fā)展是最為普遍的。我們對(duì)工業(yè)機(jī)器人自身特點(diǎn)來(lái)看，他在工作運(yùn)行中主要由以下幾個(gè)方面組成，(1）機(jī)械系統(tǒng)、(2）傳感系統(tǒng)、(3）控制系統(tǒng)（4）信息處理系統(tǒng)，這四個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中相互協(xié)作工作以提升工業(yè)生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率，但在工業(yè)機(jī)械人在實(shí)際運(yùn)行的特點(diǎn)來(lái)看他具有一定的復(fù)雜性。

本文對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行分析，主要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)行軌跡進(jìn)行模擬，軟件模擬技術(shù)在機(jī)械手臂的研究研究分析中具有獨(dú)特意義，我們通過(guò)該技術(shù)能夠?qū)C(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)能夠進(jìn)行充分研究。并且對(duì)機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中的不足還能進(jìn)行改進(jìn)，因此在工業(yè)技術(shù)研究中軟件分析技術(shù)受到廣泛的運(yùn)用。本文針對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)分析研究，我們先通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，建模設(shè)計(jì)軟件我們可以選用Pro/E對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行建設(shè)處理。并對(duì)機(jī)械手臂在運(yùn)行中對(duì)ANSYS環(huán)境下各個(gè)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的研究分析下列將詳細(xì)進(jìn)行研究闡述。

1 機(jī)械手的概述

在工業(yè)發(fā)展中機(jī)械手臂提升企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化發(fā)展，并提升企業(yè)生產(chǎn)效益。機(jī)械手臂在工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)行中我們又稱之為工業(yè)機(jī)器人，各個(gè)行業(yè)在先進(jìn)的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)模式下，都紛紛對(duì)自身生產(chǎn)工藝進(jìn)行改進(jìn)以適應(yīng)現(xiàn)今的企業(yè)運(yùn)行發(fā)展，各個(gè)企業(yè)之所以加強(qiáng)現(xiàn)代化機(jī)械發(fā)展的投入力度，因?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品能夠大大提升企業(yè)的剩余價(jià)值，從而獲取更多的經(jīng)濟(jì)利益。通過(guò)機(jī)械手臂在工業(yè)中的運(yùn)用來(lái)看該項(xiàng)技術(shù)主要能夠代替人們進(jìn)行一些繁重枯燥的工作任務(wù)比如說(shuō)（1）焊接、（2）切削、（3）噴涂、（4）搬運(yùn)等，機(jī)械手臂在生產(chǎn)運(yùn)行中的發(fā)展特點(diǎn)還在于，科技是企業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的第一動(dòng)力，因此我們對(duì)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)在工業(yè)的運(yùn)用上追求便是精益求精，進(jìn)一步的提升工業(yè)機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中的精確性，通過(guò)多我國(guó)工業(yè)機(jī)械人在日常工作中的運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)看，機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)軌跡上過(guò)于呆板，并且在運(yùn)動(dòng)空間的轉(zhuǎn)化上不能進(jìn)行充分性的調(diào)整，那么我們?cè)跈C(jī)械技術(shù)的改進(jìn)上可以促進(jìn)機(jī)械手臂的6個(gè)自由度轉(zhuǎn)變的任意性和精確性。

2 模擬軟件的概述

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中采用現(xiàn)代信息軟件對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行建模分析，最常用的軟件便是ADAMS軟件，該軟件在運(yùn)行中的特點(diǎn)關(guān)鍵在于，能夠?qū)C(jī)械運(yùn)動(dòng)力進(jìn)行全面的分析，在機(jī)械手臂模擬運(yùn)用中性價(jià)比較高。他在建模功能中的運(yùn)行特點(diǎn)來(lái)看，他可謂是集中了建模、求解、可視化技術(shù)于一體軟件運(yùn)動(dòng)模擬技術(shù)，ANSYS在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析中還有一方面的顯著性特點(diǎn)便是數(shù)據(jù)運(yùn)算的精確性，是機(jī)械工業(yè)運(yùn)動(dòng)模擬分析中運(yùn)用程序中最普遍的軟件之一，該軟件在運(yùn)行過(guò)程中還能對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行精細(xì)性的進(jìn)行研究分析，比如各個(gè)各個(gè)軟件在運(yùn)行過(guò)程中的承受力，靜態(tài)進(jìn)行研究分析。

3 仿真模擬實(shí)驗(yàn)分析

3.1 機(jī)械運(yùn)動(dòng)手臂建模

本文實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡的建模處理時(shí)，在機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)上采用六自由度機(jī)械手進(jìn)行建模實(shí)驗(yàn)。在機(jī)械手臂建模處理中可以考慮對(duì)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)形式采用開鏈的機(jī)械形式，在手臂運(yùn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)依靠的是4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和5個(gè)連桿組成機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。

3.2 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)分析

選用ADAMS模擬軟件對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行建模設(shè)計(jì)時(shí)，主要從（1）正運(yùn)動(dòng)和（2）逆運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行研究分析，在機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行研究分析時(shí)，主要是依靠手臂中Maker點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換，使模擬機(jī)械能夠能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)變換，并對(duì)運(yùn)動(dòng)手臂的運(yùn)動(dòng)曲線的變化情況進(jìn)行研究分析。檢測(cè)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn)。

3.3 正運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)軟件模擬的正運(yùn)動(dòng)中機(jī)械手臂的各個(gè)部件在模擬運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)來(lái)看，他們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中的變化曲線總是呈現(xiàn)出不規(guī)則的變化趨勢(shì)，通過(guò)仿真模擬實(shí)驗(yàn)得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)的干預(yù)性較少，并且機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中能夠保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。

3.4 靜力運(yùn)動(dòng)分析

通過(guò)模擬軟件的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果來(lái)看，機(jī)械手臂中想要提升手臂在運(yùn)行過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)在于機(jī)械手臂對(duì)壓力的承受力度。而我們對(duì)機(jī)械手臂的靜力壓力分析時(shí)可以借助PRO/E提升運(yùn)動(dòng)分析的真實(shí)性，所表現(xiàn)出來(lái)的虛擬模擬性來(lái)的結(jié)構(gòu)實(shí)體為不規(guī)則的空間幾何體。

4 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)求解

4.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

在實(shí)驗(yàn)研究分析中通過(guò)軟件模擬技術(shù)對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)行進(jìn)行建模處理分析，實(shí)驗(yàn)在軟件的建模研究分析中是機(jī)械手臂通過(guò)串聯(lián)的模式，在手臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)械點(diǎn)進(jìn)行固定，在模型的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的固定中通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中機(jī)械手臂的正運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求解使通過(guò)D-H參數(shù)法進(jìn)行參數(shù)坐標(biāo)計(jì)算，模擬軟件對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要有四個(gè)參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，(1）連桿長(zhǎng)度ai、(2）連桿扭角αi、(3）兩連桿距離di、(4）兩連桿的夾角θi。

通過(guò)軟件的數(shù)據(jù)計(jì)算研究分析，我們最終對(duì)等效應(yīng)力Von mises值設(shè)置在4.671-12667這個(gè)區(qū)域集中，通過(guò)模擬模型現(xiàn)實(shí)機(jī)械手臂的最大應(yīng)力做運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的左端，機(jī)械手臂所變現(xiàn)出來(lái)的剛度與機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中的安全性緊密相連，下圖將對(duì)機(jī)械手臂的模型進(jìn)行展示。

圖1機(jī)械手臂的建模

在對(duì)仿真機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)設(shè)置中，我們對(duì)計(jì)算機(jī)械手臂 運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行設(shè)置時(shí)，運(yùn)動(dòng)參數(shù)技基數(shù)的計(jì)算可以依照?qǐng)D2的計(jì)算公式進(jìn)行表示。

圖2運(yùn)動(dòng)參數(shù)

在運(yùn)動(dòng)曲線的參數(shù)設(shè)置中，主要對(duì)n，o，a這三個(gè)點(diǎn)對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線進(jìn)行表示，反應(yīng)式中機(jī)械手臂的具體變化情況通過(guò)P進(jìn)行表示。詳情見下圖3。

圖3機(jī)械手臂關(guān)節(jié)量變值計(jì)算

通過(guò)上圖的機(jī)械手臂在軟件模型的運(yùn)用中各個(gè)部件的參數(shù)顯示，我們可以借助T6矩陣計(jì)算方式對(duì)運(yùn)動(dòng)曲線的變量進(jìn)行精確的計(jì)算，在最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究分析中，我們對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)曲線的現(xiàn)實(shí)來(lái)看，在各個(gè)元素的表現(xiàn)中我們借助12數(shù)值對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)變化詳情進(jìn)行精確表示。

4.2 逆運(yùn)動(dòng)求解

在機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)求解時(shí)，我們想要通過(guò)精確的計(jì)算實(shí)現(xiàn)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)手臂能夠按照預(yù)先的設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)曲線去運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在數(shù)據(jù)的計(jì)算中應(yīng)該需要對(duì)機(jī)械收集的運(yùn)動(dòng)的各個(gè)曲線的關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精確計(jì)算，這才能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中按照預(yù)先的設(shè)計(jì)軌線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣數(shù)據(jù)分析處理我們能夠?qū)C(jī)械手臂的運(yùn)行的精細(xì)化進(jìn)行精確展示，并改進(jìn)機(jī)械手臂在運(yùn)行中技術(shù)要點(diǎn)，我們?cè)卺槍?duì)機(jī)械手臂預(yù)先規(guī)劃的精確點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算時(shí)可以按照下述公式進(jìn)行計(jì)算。

我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中進(jìn)機(jī)械手臂的逆運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解計(jì)算時(shí)，若我們忽視掉對(duì)機(jī)械手臂的奇異形位進(jìn)行思考時(shí)，我們對(duì)機(jī)械手臂的逆運(yùn)動(dòng)的奇異位當(dāng)sinθ5≠0時(shí)，機(jī)械手臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生奇位點(diǎn)，通過(guò)下述公式進(jìn)行表示。

通過(guò)上述兩組公式的結(jié)算中，我們可以機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)械點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的表達(dá)公式詳情見下圖。

4.3 運(yùn)動(dòng)參數(shù)值的最優(yōu)設(shè)置

在針對(duì)機(jī)械手臂的仿真模擬實(shí)驗(yàn)研究中，我們?cè)谶M(jìn)行數(shù)值參數(shù)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)。在逆運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解中我們通常進(jìn)行有4組參數(shù)進(jìn)行比較分析，得出最佳的參數(shù)數(shù)值，機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中是手臂的運(yùn)動(dòng)軌跡最短的行程為最優(yōu)的參數(shù)設(shè)置方案，函數(shù)計(jì)算公式見下。

4.4 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)仿真

在機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)建模中，我們對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)理念，通常都是參考人類的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)仿真見圖4-圖5。

圖4機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)仿真模擬圖

圖5機(jī)械手仿真模型

5 總結(jié)

本文針對(duì)MATLAB的六自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)分析與仿真的研究分析，主要是借助笛卡爾空間的坐標(biāo)，來(lái)對(duì)機(jī)械手臂在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行的關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。并通過(guò)6個(gè)部件的詳細(xì)位置變量點(diǎn)進(jìn)行精確計(jì)算， 并對(duì)機(jī)械手臂在模擬軟件運(yùn)動(dòng)中正運(yùn)動(dòng)和逆運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解，最終選擇最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)方案。