自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手設(shè)計(jì)與仿真

摘要：為解決傳統(tǒng)自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率低、自動(dòng)化程度低、生產(chǎn)線復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)化程度高且簡單的自動(dòng)化機(jī)械手臂，并根據(jù)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在自動(dòng)化生產(chǎn)實(shí)踐中取得了較好的效果，提高了生產(chǎn)效率，達(dá)到了生產(chǎn)目的。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化;機(jī)械手臂;設(shè)計(jì);仿真

中圖分類號：TP241.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0029-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.009

0? ? 引言

隨著科技改革創(chuàng)新的不斷深化，工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備逐漸向自動(dòng)化與智能化方向發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。在自動(dòng)化生產(chǎn)的過程中，機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的重要裝置，其性能的優(yōu)劣不僅影響著產(chǎn)品質(zhì)量，還關(guān)乎著企業(yè)生產(chǎn)效率。近些年，在食品包裝自動(dòng)化生產(chǎn)線中采用的機(jī)械手運(yùn)用視覺算法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡指導(dǎo)，完成食物上料以及對包裝好后的產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)線下料處理，從而極大地降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率。

1? ? 自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.1? ? 總體設(shè)計(jì)方案

在本次自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手設(shè)計(jì)中，主要分析某食品包裝生產(chǎn)線上下料機(jī)械的功能需求。首先完成物料補(bǔ)給的上料過程，然后進(jìn)行下料點(diǎn)定位，最后釋放物料，完成下料過程。具體如圖1所示[1]。

本文提出了一種三自由度隔軸驅(qū)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)方案，其中有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，包含機(jī)械手大臂、小臂和手腕三部分。機(jī)械手采用單獨(dú)的軸驅(qū)動(dòng)模式，可以釋放密封處的空間。手腕部裝有雙下料管與二指張角手爪，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手連續(xù)放置不同規(guī)格的產(chǎn)品包裝功能。它能在保證產(chǎn)品質(zhì)量的條件下減少工作循環(huán)時(shí)間，降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)企業(yè)的市場競爭力。圖2所示為機(jī)械手二指張角手爪工作圖[2]。

1.2? ? 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手是一種復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其主要部件包括底座、大臂、小臂和手腕，具體包括同步帶、同步帶輪、關(guān)節(jié)芯軸、齒輪、步進(jìn)小臂以及拉伸式電磁鐵等運(yùn)動(dòng)部件，如圖3所示。

2? ? 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在完成機(jī)械手結(jié)構(gòu)分析后，進(jìn)一步對其展開運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，主要運(yùn)用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，即通過坐標(biāo)系的空間變換求解，具體流程如下：首先，求解相鄰關(guān)節(jié)之間的空間齊次變換矩陣;然后，依次將矩陣相乘得到坐標(biāo)系B相對于世界坐標(biāo)系的位置變換矩陣，即可得到機(jī)械手模型正運(yùn)動(dòng)學(xué)的解，通過確定每個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角就可確定關(guān)節(jié)3的坐標(biāo)系相對于世界坐標(biāo)系的位置和姿態(tài);最后，根據(jù)坐標(biāo)系進(jìn)行逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的求解，通過已知的位置信息確定機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角[3]。

由于大臂、小臂和手腕的相對位置關(guān)系已經(jīng)確定，即可將已知的手腕位姿信息轉(zhuǎn)換為小臂的位姿信息。首先，將坐標(biāo)變換矩陣相乘，得到小臂在世界坐標(biāo)系中的表達(dá)式，其中包含3個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變量;其次，將其與已知的小臂位置信息建立等式，求解未知變量的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。其中定義坐標(biāo)系B在坐標(biāo)系A(chǔ)中的旋轉(zhuǎn)矩陣為：

坐標(biāo)系B與坐標(biāo)系A(chǔ)中的平移矢量表示為：

為了便于運(yùn)算，通常將旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矢量組合為一個(gè)齊次變換矩陣：

將式（1）中的成員變量轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)變量（其中c和s分別為cos和sin的簡寫，以下相同，不再贅述）：

相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)之間的D-H關(guān)系如圖4所示，其中各個(gè)參數(shù)的定義如下：連桿長度ai=沿Xi軸從Zi移動(dòng)到Zi+1的距離，連桿轉(zhuǎn)角αi=繞Xi軸從Zi旋轉(zhuǎn)到Zi+1的角度，連桿偏距di=沿Zi軸從Xi-1移動(dòng)到Xi的距離，關(guān)節(jié)角θi=繞Zi軸從Xi-1旋轉(zhuǎn)到Xi的角度[4]。

根據(jù)圖4中的坐標(biāo)系分布和上述參數(shù)定義規(guī)則，可以得到表1所示機(jī)械手的D-H參數(shù)。

D-H參數(shù)的標(biāo)定：由于存在裝配誤差與零件加工誤差，機(jī)械手實(shí)際D-H參數(shù)與理論D-H參數(shù)存在差異，實(shí)際的D-H參數(shù)如表2所示。

測量實(shí)際D-H參數(shù)的過程稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定過程包括4個(gè)步驟：建模、測量、識別和補(bǔ)償。參數(shù)識別過程采用數(shù)學(xué)標(biāo)定模型，盡可能準(zhǔn)確地識別參數(shù)誤差。參數(shù)識別過程通常是以最小化末端執(zhí)行器姿態(tài)的殘差為約束條件進(jìn)行的，主要通過測量末端執(zhí)行器的位置或姿態(tài)來獲得數(shù)據(jù)，利用迭代算法使手腕姿態(tài)殘差最小求出實(shí)際的D-H參數(shù)值。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及時(shí)間原因，本文不進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)標(biāo)定，即采用理論D-H參數(shù)進(jìn)行接下來的實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)以及公式（4），可以求出每一個(gè)連桿變換矩陣：

坐標(biāo)系B相對于世界坐標(biāo)系的矩陣變換為：

通過Matlab進(jìn)行計(jì)算，程序編寫如下：

通過運(yùn)算，可以得到0 3T關(guān)于變量t1～t3的數(shù)學(xué)關(guān)系，即機(jī)械手模型的正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。其中t1～t3對應(yīng)于連桿參數(shù)表中的θ1～θ3。已知0 3T，可以通過迭代求解位置依次求解各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ。已知坐標(biāo)系B在世界坐標(biāo)系下的位置信息：

將式（8）代入式（7）進(jìn)行迭代運(yùn)算求解出各個(gè)關(guān)節(jié)角度，其求解思路為在方程兩邊同時(shí)乘上矩陣的逆進(jìn)行變量分解，使得等式兩邊的矩陣某一相同位置元素相等且只含有一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)變量，聯(lián)立等式求取變量值。將已經(jīng)求解的變量值代入矩陣重復(fù)上述步驟，直到求解出全部關(guān)節(jié)變量。

3? ? 自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

3.1? ? 建立與導(dǎo)入三維模型

運(yùn)用SolidWorks軟件完成零件的三維實(shí)體建模，并進(jìn)行總體組成裝配，為后文仿真分析奠定基礎(chǔ)，如圖5所示。

本文對機(jī)械手關(guān)鍵部件的材料進(jìn)行了選擇，為使機(jī)械手能夠承載一定的載荷，傳遞力矩的關(guān)節(jié)芯軸和齒輪必須具有良好的耐磨性，故選用密度小、耐腐蝕及硬度高的鋁合金（1060）作為機(jī)械手的臂架、手臂和手腕部件的材料[5]。

3.2? ? 修改各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的質(zhì)量和慣性矩屬性

本次設(shè)計(jì)中每個(gè)零件的材料都與SolidWorks中定義的材料不同，因此必須重置機(jī)械手模型的重力和慣性矩屬性。首先右鍵單擊要修改的零件，選擇“修改”;然后單擊“出現(xiàn)”，在出現(xiàn)的“定義質(zhì)量依據(jù)”對話框中選擇“用戶輸入”;最后在操作區(qū)中計(jì)算機(jī)械手的質(zhì)量和慣性矩，修改實(shí)體的質(zhì)量特性，并修改Modify體的dabi、xiaobi和shouwan各自的質(zhì)量慣性矩參數(shù)，如圖6所示。

3.3? ? 構(gòu)建運(yùn)動(dòng)仿真模型

在本文研究的機(jī)械手模型中，所提到的關(guān)節(jié)除底部和地板外都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。為驗(yàn)證機(jī)器人的可行性，需要對模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并且仿真平臺是SolidWorks軟件的運(yùn)動(dòng)分析模塊。實(shí)驗(yàn)中使用了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，由于上下物料頭的坐標(biāo)系已知，可獲得每個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。接著，替換在逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法中定義的多個(gè)上下物料頭坐標(biāo)系的信息，以獲得一系列關(guān)節(jié)角度值，再將該系列角度值輸入到運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)中，得到整個(gè)機(jī)器人模型仿真過程，如圖7所示。

結(jié)合后續(xù)的動(dòng)力學(xué)仿真曲線分析結(jié)果、有限元分析結(jié)果，可以進(jìn)一步對設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升機(jī)械手結(jié)構(gòu)整體的可靠性。

4? ? 結(jié)語

隨著自動(dòng)化生產(chǎn)對產(chǎn)品質(zhì)量與效率的要求不斷提高，亟需對自動(dòng)化生產(chǎn)線機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文在確定了整體設(shè)計(jì)方案后，完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后針對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，期望通過后續(xù)的仿真分析，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的綜合性能。

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收稿日期：2021-12-03

作者簡介：陳運(yùn)林（1999—），男，貴州人，研究方向：自動(dòng)化。

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