王文康，陶學恒，王學俊，蘆金石，曾振華，何廣維

（1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼守大連 116034；2.大連現代輔機開發(fā)制造有限公司，遼守大連 116600）

用于缸體缸蓋清洗的機器人工藝軌跡規(guī)劃*

王文康1，陶學恒1，王學俊1，蘆金石1，曾振華2，何廣維2

（1.大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼守大連 116034；2.大連現代輔機開發(fā)制造有限公司，遼守大連 116600）

針對汽車發(fā)動機多型號缸體缸蓋清洗的柔性化需要，研發(fā)了基于六自由度機器人技術的發(fā)動機缸體缸蓋清洗工藝及裝備。運用D-H方法，建立了六自由度發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的連桿坐標系，給出了結構參數表。對發(fā)動機缸體缸蓋的整個清洗過程進行工藝分析，在Matlab環(huán)境下，利用Robotics Toolbox建立了機器人的三維仿真模型，對整個清洗過程進行關節(jié)空間軌跡規(guī)劃，得到了整個清洗過程末端執(zhí)行器的運動軌跡和各關節(jié)位置、速度、加速度曲線。

清洗機器人；缸體缸蓋；關節(jié)空間；軌跡規(guī)劃

0 引言

近幾年，對于汽車尾氣的排放問題，國際環(huán)保部門頒布了更高的排放標準，市場競爭也日益激烈，對汽車零部件質量的要求也越來越高。汽車產品可靠性及質量的一個重要指標是清潔度，人們對這個指標也越來越重視。在精加工過程中，汽車零部件表面上會有很多雜質，這些雜質直接影響零部件的準確定位，從而影響到尺寸精度；在裝配過程中，發(fā)動機總成等部件都可能因為微小的切屑和少量的鑄造型砂的影響而損壞，發(fā)動機的性能也可能變壞，壽命變短。因此，汽車制造業(yè)目前所面臨的一個重要問題就是如何提高汽車零部件的清潔度［1］。由于汽車發(fā)動機缸體缸蓋的型號不同，缸體缸蓋的結構、尺寸等也不同，這就要求發(fā)動機缸體缸蓋的清洗具有一定的柔性。

汽車發(fā)動機缸體缸蓋清洗行業(yè)的特殊需求是柔性化和高清潔度。在保證柔性化和高清潔度的基礎上，縮短清洗節(jié)拍，提高工作效率是工廠最為關心的問題。

現在國際上逐漸流行起來一種新的清洗技術——機器人清洗技術，是一種柔性化的清洗方式。工業(yè)機器人是該系統(tǒng)的核心，工作時機械手夾持工件，依次完成浪涌式涮洗、前端面和底面清洗、定點定位清洗、水刀去毛刺等工序，具有高可靠性、高精度的特點，并且減少了輔助部件的數量，達到了結構最簡化和柔性化。目前，工廠對機器人的整個清洗動作進行調試都是采用現場人眼定位的方式，而沒有專門針對這一工藝過程進行軌跡的規(guī)劃，所以造成效率低，精度差等缺陷。

本文作者與大連現代輔機開發(fā)制造有限公司合作［2］，自主研發(fā)了用于發(fā)動機缸體缸蓋清洗的機器人，整個機器人清洗機的總體布局圖如圖1所示。本文以該清洗機器人為研究對象，對機器人抓取發(fā)動機缸體缸蓋進行清洗這一工藝過程進行分析。運用D-H方法建立了發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的連桿坐標系，并給出了結構參數表；在Matlab Robotics Toolbox環(huán)境下進行軌跡規(guī)劃和運動仿真。

圖1 機器人清洗機總體布局圖

1 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的機構裝置組成與分析

本文自主研發(fā)的發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人有六個自由度，其被安裝在清洗室中，腕部末端裝著末端執(zhí)行器即機械手（六自由度機器人建立的實體模型如圖2所示）。

圖2 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人實體模型

1.1 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的結構組成

目前國際知名的機器人公司如英國馬丁路德，西門子，德國KUKA等公司都在進行發(fā)動機清洗機器人的研究。國內有很多制造工業(yè)機器人的公司，但由于清洗室內潮濕，工作空間小等特殊條件限制，沒有能夠直接應用于這個領域的機器人，而且也沒有專門針對這一行業(yè)所開發(fā)的清洗機器人。本文專門針對發(fā)動機缸體缸蓋的清洗開發(fā)了用于發(fā)動機缸體缸蓋清洗的機器人。

根據運動功能的要求，發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人要有較大的工作空間及較高的剛度和承載能力。本文所研制的發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的手腕采用RBR型結構。為了保證缸體缸蓋清洗后的清潔度和清洗時能夠到達準確的位置，發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人采用交流伺服電機作為驅動器。為了提高機器人的回轉精度，減小結構尺寸，發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人采用RV減速器作為驅動器［3-4］。由于機器人的三大關節(jié)（腰關節(jié)、肩關節(jié)、肘關節(jié)）處受到很大的軸向力、徑向力和傾翻力矩，本機器人在這三大關節(jié)處加有單排四點接觸球式回轉支承。后四關節(jié)處結構圖如圖3所示。

圖3 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人關節(jié)結構圖

本文自主研發(fā)的發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人最多可以抓取重量為210kg的發(fā)動機缸體或缸蓋。清洗不同型號的發(fā)動機缸體和缸蓋時只需要換上相對應的機械手即可，具有高柔性化的特點。

1.2 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人運動機構分析

根據清洗工藝要求，確定了發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的結構布局方案，該機器人的結構簡圖如圖3所示。

由圖4所示的發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的結構簡圖可知，該清洗機器人的本體結構由基座、腰部、大臂、小臂、以及手腕組成。相對應的各旋轉關節(jié)分別為腰部回轉S（θ1）、肩部回轉L（θ2）、肘部回轉U（θ3），手腕偏轉R（θ4）、手腕俯仰B（θ5）和手腕翻滾T（θ6），并且手腕的三個旋轉關節(jié)的軸線相交于一點，符合Pieper準則。

圖4 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人結構簡圖

（1）連桿參數確定

根據D-H方法，每個連桿可以用4個參數來描述，其中2個參數描述連桿本身，剩余2個參數描述兩個連桿之間的連接關系。對于旋轉關節(jié)，θi為關節(jié)變量，另外3個參數為定值，稱為連桿參數。關節(jié)變量和連桿參數可以描述任何機器人每個連桿之間的運動關系。表1列出了發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的各連桿參數。

表1 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的連桿參數

表1中ai-1表示連桿i-1的長度；αi-1表示連桿轉角；di稱為偏距，是關節(jié)軸線i上兩個公垂線之間的距離；θi稱為扭角，是垂直于關節(jié)軸線i的平面內兩個公垂線之間的夾角。

（2）連桿坐標系構建

在1955年，Denavit和Hartenberg提出了D-H參數法［5-7］，這個方法是機器人運動學分析中最常用的方法。D-H參數法用齊次坐標來表示各個連桿在參考坐標系中的位置，用4×4的齊次變換矩陣表示相鄰兩連桿之間的關系，最終得到機器人手爪坐標系在參考坐標系中的位姿［8］。

使用D-H參數法中坐標系的建立方法，得到了機器人處于初始位置時各個連桿坐標系，如圖5所示。

圖5 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人各連桿坐標系

2 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的軌跡規(guī)劃

發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的軌跡規(guī)劃分為兩種：一種是在關節(jié)空間進行，另一種是在直角坐標空間中進行。在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃，是用各關節(jié)變量規(guī)劃軌跡，所以計算量很小，實時控制簡單，而且不會發(fā)生機構奇異性［9］，因此經常被使用。本文通過MatlabRobotics Toolbox在關節(jié)空間下對機器人進行軌跡規(guī)劃［10-11］。

根據發(fā)動機缸體缸蓋清洗工藝的要求，發(fā)動機缸體缸蓋先后需要經過浪涌式擬人涮洗工位，前端面和底面清洗工位，定點定位清洗工位，高壓去毛刺工位，定點吹干工位。由于各個清洗裝置開口處都為上部，所以機器人在抓取發(fā)動機缸體缸蓋進行清洗時，為了躲避障礙，機器人手爪必須先移動到清洗裝置上部，然后向下深入清洗裝置內部。清洗完成后，手爪也應該按原路撒出。

在RoboticsToolbox中構建機器人模型只需要輸入連桿參數，由于連桿坐標系存在坐標系前置與后置兩種兩種情況，所以在輸入連桿參數時，需要指定采用哪一種坐標系，‘Modified’表示坐標系前置，‘Standard’表示坐標系后置。

生成機器人三維模型的命令如下：

link（［alpha A theta D sigma］，convention）；

其中alpha、A、theta、D為機器人的四個連桿參數，sigma描述關節(jié)運動副，當sigma的值為默認值0時，表示該關節(jié)運動副為轉動副，當sigma的值為非零值時，表示該關節(jié)運動副為移動副。convention表示機器人連桿坐標系的設置方法，‘modified’表示坐標系前置，‘standard’表示坐標系后置。

利用Robotics Toolbox中的ikine函數可以用來求解機器人的運動學逆問題。ikine函數的調用格式為：

q=ikine（robot，T）；

q=ikine（robot，T，q）；

參數robot表示機器人，T為要反解的變換矩陣，q表示初始猜測值（默認值為0）。

在Robotics Toolbox中，可以實現在笛卡爾空間中進行軌跡規(guī)劃、在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃和變換插值，相對應的三個函數分別是ctraj、jtraj和trinterp。本文在關節(jié)空間中對機器人進行軌跡規(guī)劃。

其中jtraj函數的調用格式：

［q qd qdd］=jtraj（q0，q1，T）；

［q qd qdd］=jtraj（q0，q1，T，qd0，qd1）；

參數q為從q0運動到q1的關節(jié)空間規(guī)劃軌跡，qd和qdd為規(guī)劃軌跡的速度和加速度，T為設定的時間向量，速度不為零可以用qd0和qd1來指定。該規(guī)劃函數是采用七階多項式插值在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃?？紤]到機器人手抓坐標系｛7｝距離手腕坐標系｛6）有790mm，只有加入這段距離才能使工件在整個清洗過程中避開障礙，所以在機器人的手腕坐標系｛6）的后面固連一個坐標系（7），手抓坐標系（7）與手腕坐標系｛6）之間的距離為790mm。

參考前面所建立的連桿坐標系的參數構建機器人，機器人整個清洗過程的程序如下：

通過在MatlabRobotics Toolbox中構建機器人模型，可以得到如圖6所示的三維仿真模型。

圖6 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的三維仿真圖形

發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人在抓取發(fā)動機缸體缸蓋進行清洗的過程中，總共經歷了5個工位過程。整個清洗過程流程為：工作時，機械手伸出清洗室，到達上料道上方，張開機械手，抓取工件，然后機械手夾緊工件，返回清洗室，機器人按照清洗工藝要求，依次完成浪涌式擬人涮洗，前端面和底面清洗，定點定位清洗，高壓水刀去毛刺和定點定位吹干，最后機器人再將工件放到下料道上，然后返回機器人初始位置。

在Robotics Toolbox基礎上編制了機器人末端運動軌跡的可視化程序，使我們可以清楚地看到整個清洗過程中末端執(zhí)行器的運動軌跡。機器人手抓在整個清洗過程中的運動軌跡如圖7所示，發(fā)動機清洗機器人在各個工位的運動位姿如圖8所示。

利用ikine函數對機器人在各個清洗工位的位姿反解，得到對應的關節(jié)角；然后通過軌跡規(guī)劃函數jtraj對每個工位之間的移動進行規(guī)劃。機器人手爪夾持缸體缸蓋從浪涌清洗工位上方運動到前端面和底面清洗工位上方的各關節(jié)的位置、速度及加速度曲線如圖9～11所示。從圖中可以看出，規(guī)劃出的機械手的位移、速度和加速度曲線連續(xù)并且光滑，說明在整個清洗過程中機械手的運行比較平穩(wěn)，整個機器人的結構不會產生較大的振動。

圖7 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人末端執(zhí)行器運動軌跡

圖8 發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人各工位仿真圖

圖9 各關節(jié)角位移曲線

圖10 各關節(jié)角速度曲線

圖11 各關節(jié)角加速度曲線

3 結論

（1）運用D-H方法建立了發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人的連桿坐標系，并給出了結構參數表，為推導機器人的運動學方程和在Robotics Toolbox進行軌跡規(guī)劃提供了基礎。

（2）在Matlab環(huán)境下，利用Robotics Toolbox建立了機器人的三維仿真模型，并對發(fā)動機缸體缸蓋清洗機器人進行了軌跡規(guī)劃，得到了整個清洗過程末端執(zhí)行器的運動軌跡和各關節(jié)位置、速度、加速度曲線。從圖中可以看出，在此工作過程中機械手的運動平穩(wěn)，不會產生較大振動。

（3）通過對發(fā)動機缸體缸蓋的整個清洗過程進行軌跡規(guī)劃，將清洗節(jié)拍縮短到30s，與傳統(tǒng)清洗方式相比，提高效率50%以上。

（4）發(fā)動機缸體缸蓋清洗后的清潔度可以達到標準指標的要求，并能保證總體清潔度≤40mg。

［1］梅杰，宋毅，肖春玲，等.機器人在發(fā)動機缸體清洗中的應用［J］.制造技術與機床，2009（12）：34-37.

［2］王海洋.發(fā)動機缸體缸蓋在生產線上的新型清洗系統(tǒng)［J］.知識經濟，2013（7）：100.

［3］費仁元，張慧慧.機器人機械設計和分析［M］.北京：工業(yè)大學出版社，1998.

［4］馬香峰.工業(yè)機器人的操作機設計［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

［5］熊有倫.機器人技術基礎［M］.武漢：華中理工大學出版社，1996.

［6］孫增圻.機器人系統(tǒng)仿真及應用［J］.系統(tǒng)仿真學報，1995，7（3）：23-29.

［7］蔡自興.機器人學［M］.北京：清華大學出版社，2000.

［8］Denavit J，Hartenberg R S.A Kinematic Notation for Lowerpair Mechanisms Based onMatrices［J］.Journal of Applied Mechnics，1995，21（5）：215-221.

［9］Bunkie S.Introduction to robotics analysis，systems，applications［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2004.

［10］孫祥，徐流美，吳清.MATLAB 7.0基礎教程［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［11］謝斌，蔡自興.基于Matlab Robotics Toolbox的機器人學仿真實驗教學［J］.計算機教育，2010，19（10）：140-143.

（編輯 李秀敏）

Process and Trajectory Planning of Robot for Cleaning the Cylinder Head

WANG Wen-kang1，TAO Xue-heng1，WANG Xue-jun1，LU Jin-shi1，ZENG Zhen-hua2，HE Guang-wei2
（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Dalian Polytechnic University，Dalian Liaoning 116034，China；2.Dalian Modern Auxiliary Machinery Manufacturing Co.Ltd.，Dalian Liaoning 116600，China）

For the flexible needs of multi-modelautomotive engine cylinder and head cleaning，Developed based on six degrees of freedom robotic technology’s engine cylinder and head cleaning processes and equipment.UsingD-H method to establishes six degrees of freedom cylinder and head cleaning robot’s link coordinate system，and gives the structural parameters of the table.Analyzing the entire cleaning process of the engine cylinder and head，in the Matlab environment，using Robotics Toolbox to establish a three-dimensional simulation model of the robot，Planning the entire cleaning process trajectory in joint space，Obtains the entire cleaning trajectory of the end and the joint position，velocity，acceleration curve.

cleaning robot；cylinder head；joint space；trajectory planning

TH162；TG155.4+1

A

1001-2265（2015）03-0124-05 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.03.034

2014-07-23；

2014-08-22

大連市2012年工業(yè)循環(huán)經濟發(fā)展專項（201209）：基于機器人的高效智能清洗系統(tǒng)產業(yè)化項目

王文康（1991—），男，河北邯鄲人，大連工業(yè)大學碩士研究生，研究方向為機械設計與制造，機電一體化應用技術，（E-mail）363085803 @qq.com；通訊作者：陶學恒（1963—），男，北京人，大連工業(yè)大學教授，博士，從事輕工機械設計與制造、機電一體化應用技術的研究，（E-mail）xhtao@dlpu.edu.cn。