湯 妍

基于VB開發(fā)環(huán)境的機械臂可視化研究

湯 妍

本文運用DH參數(shù)法在Visual Basic軟件中搭建運動學正解、逆解求解界面，在界面中動態(tài)演示出相應的機械臂運動過程。加快運動學求解的同時，在機械臂投入流水線生產(chǎn)前，可視化的展現(xiàn)流水線生產(chǎn)過程，暴露瑕疵，對于生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)具有參考意義。

機械臂是由首端固定、末端安裝執(zhí)行裝置而其他各個關節(jié)的平移旋轉構成。

目前，在食品包裝、醫(yī)藥、電子和光伏、玻璃制品精加工等行業(yè)中，機械臂均得到了廣泛的應用。其中機械臂在生產(chǎn)作業(yè)中的應用，節(jié)省了人力、物力。尤其針對于一些精密器件，全機械化更有益于器件的精確操作和保存。機械臂的使用同時也降低了生產(chǎn)成本和事故風險，發(fā)展前景廣闊。

大多機械臂可視化生成程序在VC中實現(xiàn)，但VC掌握、熟練應用難度大，涉及的尖端技術成本過高，對于國內的低成本應用開發(fā)者來說，可行性有限。Visual Basic軟件的優(yōu)勢在于：無繁瑣定義、面向對象和容易掌握。因此本界面采用了VB軟件來實現(xiàn)機械臂可視化生成的研究，力求在模擬設計和仿真研究方面簡化工作量，節(jié)約時間和成本。

VB軟件仿真結果顯示，此動態(tài)機械臂的可視化生成界面，可在多機械人手臂投入使用前，把機器人正、逆解結果直觀通過矩形框的運動展示出來，有利于在投入生產(chǎn)之前提前暴露并修補瑕疵。

機械手臂的坐標變換

坐標變換是用來描述任意的一點從一個坐標系投影到另一個坐標系的變換關系。機械手臂的運動涉及坐標轉換，這就需要對零件、工具本身的位置和姿態(tài)進行描述。

機械臂坐標的變換分為：

平移變換

旋轉變換

平移變換與旋轉的結合。

（1）平移坐標變換

平移前后的坐標系方位相同，原點不同。AP 表示坐標

B0系｛B｝相對于坐標系｛A｝的位置關系。在坐標系｛B｝中，若點P的位置為BP ，那么點P在坐標系｛A｝中的坐標AP ：

（2）旋轉坐標變換

設有原點相同，方位不同兩坐標系。

AR為旋轉矩陣即坐標系｛B｝相對于坐標系｛A｝的方位。

任意一點在兩坐標系中的變換關系如下：

（3）復合坐標變換

一般情況下，機械臂的變換均是相對于運動坐標系而言的。最終要的就是計算手臂末端相對于大地坐標系的位置。計算的是運動的手臂關節(jié)坐標系相對于首端固定坐標系的變換矩陣。即位置描述和方位描述。

（1）位置描述

圖1　平移變換

圖2　復合變換

圖3　位置表示

在坐標系下，用3×1的列矢量來表示一點P的位置：

（2）方位描述

xB、yB、zB為空間中某物體B在其所在坐標系下的單位矢量。單位矢量相對于參考坐標系的方向余弦組成矩陣，即：旋轉矩陣；A-參考坐標系｛A｝；B-坐標系｛B｝。有九個元素，其中的三個元素獨立。單位矢量A、xB中的三個列矢量，它們兩兩相互垂直，中的九個元素滿足以下幾個約束條件：

機械手臂模型建立

利用OpenGL建立三維立體模型。求解運動學逆解：已知末端和首段坐標參數(shù)，計算各關節(jié)參數(shù)值。求解運動學正解：已知首段坐標參數(shù)和各關節(jié)參數(shù)值，計算末端位置參數(shù)。

機械手臂按照計算出的運動學正、逆解的坐標位置，規(guī)劃運動軌跡，是機器人按照最短運動路徑，運動到指定的最終坐標點。

可視化界面研究

DH參數(shù)法下的坐標系

約定X（i）與Z（i-1）垂直相交，變換矩陣為：

用戶根據(jù)需求，在界面中點定關節(jié)坐標系，拉伸模擬關節(jié)的矩形框，確定手臂的長短，疊加出三自由度的機械臂模型。給出工件所在的位置A，運用運動學逆求解方法，計算出此時各關節(jié)變量，根據(jù)求得的解，進行相應的運動，直到手臂前端坐標與位置A處坐標相重合。當機械臂1回到初始位置，用同樣的方法，機械臂2開始運動到B點處提取工件。

結語

利用DH 參數(shù)法求解機器人運動學正、逆解，演示其求解界面，并演示出多條手臂動態(tài)運動過程是本文研究的重點。在VB環(huán)境下動態(tài)的演示了機械臂運動過程，本界面實現(xiàn)了在流水線生產(chǎn)前提下可視化模擬的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.023