一種井下救援機械臂的運動學仿真分析及實現(xiàn)

趙 燕， 王江華

(1.燕京理工學院 信息科學與技術學院，河北 三河 065201； 2.華北科技學院 電子信息工程學院，河北 三河 065201)

0 引 言

近年來，煤礦開采行業(yè)迅猛發(fā)展，礦井安全事故時有發(fā)生。本文針對性地設計了一種井下救援機械臂[1]。采用一種六輪礦難救援機器人平臺搭載該機械臂，該平臺能平穩(wěn)地應對井下崎嶇復雜的地形，機械臂能輕松應對井下狹小復雜的空間環(huán)境進行救援工作，并幫助施救人員準確迅速的完成各種救援動作，達到礦難發(fā)生后在井下進行施救的目的，以挽救更多工作人員的生命以及國家財產(chǎn)。

1 總體方案設計

針對礦井坑道的不平整，平臺采用履帶式底盤，其優(yōu)點是能輕松應對各種地形，因此更加適合井下救援。對于機械臂，為應對復雜的工作空間環(huán)境，采用靈活度較高的六自由度方式進行設計。為保證救援人員能在相對安全的環(huán)境進行施救，防止礦難后的二次事故對救援人員造成生命威脅，采用遙控的方式對整體裝置進行控制。整體機械結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 整體機械結(jié)構(gòu)模型

2 救援機械臂模型設計

礦山事故發(fā)生后，落石和泥土坍塌會使井下救援環(huán)境極大受限，會進一步阻礙救援工作的實施，因此機械臂設計為六自由度，即機械臂具有6個旋轉(zhuǎn)關節(jié)[2]，以達到克服井下復雜環(huán)境的目的。采用具有大扭矩的無刷直流伺服電機來驅(qū)動機械臂關節(jié)，機械臂末端的執(zhí)行器采用氣動裝置完成復雜的夾取動作，其立體模型如圖2所示。

圖2 機械臂模型及其空間D-H坐標系

按照標準的Denavit-Hartenberg[3]方法建立機械臂的坐標系，如圖2所示，基坐標系與第一關節(jié)坐標系重合。末端執(zhí)行器坐標系建立在第六關節(jié)手腕處。連接桿D-H參數(shù)如表1所示，其表中各符號的含義如表2所示。

對于兩關節(jié)扭角α的正方向規(guī)定為Xi軸正向轉(zhuǎn)動為正，即Zi-1到Zi繞Xi轉(zhuǎn)動的方向為正；對于兩連桿間的角度θi的正方向規(guī)定為Zi軸正向轉(zhuǎn)動為正，即Xi-1到Xi繞Zi-1轉(zhuǎn)動的方向為正。由的取值范圍能初步了解該機械臂的活動范圍。

表1 連接桿D-H參數(shù)表

表2 符號表

3 救援機械臂運動學分析

運動學分析是指根據(jù)已經(jīng)給定的滿足工作需要的末端執(zhí)行器相對參考坐標系的位置和姿態(tài)，求取各關節(jié)的運動參數(shù)[4-5]。該機械臂在進行井下施救的過程中抓取目標障礙物，障礙物對應的位置和姿態(tài)即機械臂末端抓取裝置的位姿，因此需要求解運動學的逆解[6]，求解過程如下：

由運動學正解

i-1Ti=rot(Xi,ai-1)×trans(Xi,ai-1)×

trans(Zi,di)×rot(Zi,θi)

變換關系式可求得兩連桿的通用變換公式：

(1)

(1) 求解θ1。已知矩陣

中的位姿矢量n，o，a，p，求取各關節(jié)轉(zhuǎn)角，即算出θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6的值。由0T1·0T6=1T得：

(2)

由式(1)經(jīng)過齊次坐標變換計算得1T6矩陣，令式(2)等式兩端的元素(2，4)對應相等可得：

-sθ1·Px+cθ1·Py=d2

(3)

由此算出：

(4)

(2) 求解θ3。同理，再令式(2)的矩陣方程等式兩端元素(1，4)和(3，4)分別對應相等。則有：

(5)

(6)

(7)

(3) 求解θ2。由0T3·0T6=3T6得：

(8)

由式(1)經(jīng)過齊次坐標變換計算出3T6矩陣，令式(8)兩端元素(1，4)和(2，4)分別對應相等。因此，可求得：

(9)

θ23=θ2+θ3=

(10)

再代入式(6)求的θ3，得：

θ2=θ23-θ3=

(11)

(4) 求解θ4。同理，再令式(8)的矩陣方程等式兩端元素(1，3)和(3，3)分別對應相等。則有

(12)

可求出當θ5≠kπ(k=0,1……)時，有s5≠0，即

(13)

(14)

根據(jù)已經(jīng)求得的θ1，θ2，θ3，θ4，令式(14)兩邊矩陣的元素(1，3)及(3，3)分別對應相等，得出：

(15)

θ5=arctan(-s5/c5)

(16)

(6) 求解θ6。θ6為末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)角度，在確定目標物體的位置后，根據(jù)抓取目標的姿態(tài)進行旋轉(zhuǎn)，這種方式有利于實際施救的操作，如此能快速確定不同情況的不同抓取角度，進一步增加其復雜環(huán)境的適應能力[7-8]。

4 機械臂運動軌跡仿真分析及結(jié)果驗證

4.1 仿真分析

首先采用Matlab對建立的機械臂運動狀態(tài)進行模擬，將表1描述的機械臂數(shù)據(jù)輸入到Matlab的Robot Toolbox仿真模塊，機械臂水平滑動的極限位置在基坐標系X0O0Y0中的豎直投影是0從內(nèi)經(jīng)531 mm到外徑1 077 mm形成的圓圈，豎直極限位置在基坐標系Z0軸的范圍是[-552 mm，1 164 mm]。底座中心軸運行區(qū)域是Φ1∈[-π，π]，機械臂中心軸運行區(qū)域是。Φ2∈[-π，π]設置機器人的運行環(huán)境和夾取目標及障礙物的相關信息，并進行三維仿真[9-11]。假設待抓取物體和釋放目標點在基坐標系下的齊次矩陣分別為T1和T2：

(17)

(18)

從圖3、4機械臂的仿真驅(qū)動可以看出，機械臂可以在工作空間內(nèi)任意轉(zhuǎn)動，能夠滿足井下苛刻操作空間的要求，表明了其運動學參數(shù)的合理性[12]；從圖5各關節(jié)的運動曲線可以看出，各連桿沒有運動錯位，沒有折點，曲線平滑，表明了機械關節(jié)布置合理，滿足穩(wěn)定運動的運動學要求[13]。

圖3 機械臂模型初態(tài)位姿

圖4 機械臂模型末態(tài)位姿

圖5 各關節(jié)角位移(位移)─時間仿真曲線

4.2 仿真結(jié)果驗證

為了對仿真數(shù)據(jù)進行實際驗證，假定礦難發(fā)生后的井下空間狹小，為排除狹窄礦道內(nèi)部的落石進行救援，設定固定參考系原點位于移動平臺臺面中心，且設置機械臂的初態(tài)矢量和末態(tài)矢量的參數(shù)如表3、表4所示。

表3 機械臂的初態(tài)矢量

表4 機械臂的末態(tài)矢量

將參數(shù)設定至機械臂中，實際運動效果良好，機械臂運動快速且連貫，多次重復試驗沒有出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象，能夠精確的夾取目標物體，說明該機械臂結(jié)構(gòu)與參數(shù)設置合理，滿足預期要求。

5 結(jié) 語

采用六輪礦難救援平臺搭載機械臂的方式，對井下救援機械臂進行了研究和設計，建立了對應的立體機械模型，通過Matlab中的Robotics Toolbox工具對機械臂的運動情況進行了仿真[14-15]。根據(jù)仿真驗證以及實際運動驗證了機械臂的運動可靠性和運動學合理性，表明該機械臂能夠在狹小的空間內(nèi)很好的完成各種復雜的動作，非常適合應用于礦井事故救援。

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