肖　超　周玉林　盛海泳　侯雨雷

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

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工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體模塊化設(shè)計(jì)

肖超周玉林盛海泳侯雨雷

燕山大學(xué)，秦皇島，066004

基于工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體模塊化設(shè)計(jì)思想，以機(jī)器人的結(jié)構(gòu)功能分解為基礎(chǔ)，創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)并實(shí)現(xiàn)了模塊的自動(dòng)裝配。將人體手臂參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊縮放的內(nèi)置參數(shù)，建立了尺寸不同、功能相似的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)?；谶吔缜€的幾何特征對(duì)工作空間進(jìn)行了類(lèi)型劃分，并依據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)位置分析法及改進(jìn)的CAD變量幾何法將工作空間求解模塊化。將坐標(biāo)系模塊庫(kù)生成的D-H參數(shù)作為各模塊的共享數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)與工作空間的自動(dòng)求解。以庫(kù)卡機(jī)器人KR6-2的正運(yùn)動(dòng)學(xué)與工作空間模塊化自主求解為例，對(duì)比分析軟件運(yùn)行結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了該方法可滿足機(jī)器人柔性化自主設(shè)計(jì)需求。

工業(yè)機(jī)器人；模塊化設(shè)計(jì)；工作空間；二次開(kāi)發(fā)

0　引言

為了滿足工業(yè)機(jī)器人多品種、小批量、柔性化的生產(chǎn)需求，人們將模塊化思想引入工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中。與傳統(tǒng)方法相比，模塊化設(shè)計(jì)能很好地解決機(jī)器人品種多、批量小與設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高之間的矛盾[1-3]。

近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)的研究主要集中于面向任務(wù)的模塊設(shè)計(jì)、構(gòu)形設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。費(fèi)燕瓊等[4]提出了一種具有結(jié)構(gòu)自變形及自修復(fù)功能的網(wǎng)格型模塊，并設(shè)計(jì)了新的對(duì)接接口；曹燕軍等[5]研制的360bot模塊有4個(gè)連接面，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)；文獻(xiàn)[6-7]采用分布式自組裝法對(duì)模塊化機(jī)器人進(jìn)行控制；Pan等[8]基于螺旋理論和李群代數(shù)法對(duì)模塊化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了理論推導(dǎo)分析；閆繼宏等[9]基于構(gòu)型平面匹配法對(duì)模塊化機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；高文斌等[10-12]將工業(yè)機(jī)器人劃分為基座、關(guān)節(jié)、連桿和末端執(zhí)行器四大模塊，開(kāi)發(fā)了MRRES系統(tǒng)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、拓?fù)錁?gòu)型優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、自主在線辨識(shí)等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)研究；劉爽等[13]將工業(yè)機(jī)器人劃分為關(guān)節(jié)、連桿、手腕和末端執(zhí)行器四種模塊，并對(duì)50 kg負(fù)載工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了靜力學(xué)仿真研究。

分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)器人的模塊化研究存在以下問(wèn)題：①模塊種類(lèi)單一且通用性差，搭建的模型未能囊括所有的工業(yè)機(jī)器人構(gòu)型；②模塊化思想不徹底，僅側(cè)重于有限范圍內(nèi)構(gòu)型多變性的機(jī)構(gòu)可重構(gòu)或自重構(gòu)的研究；③系統(tǒng)兼容性程度低，尚未形成集機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、工作空間求解、力學(xué)分析、軌跡規(guī)劃等為一體的自主設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

針對(duì)存在的問(wèn)題與工業(yè)需求，我們嘗試研究一個(gè)基于模塊化思想的機(jī)器人自主設(shè)計(jì)軟件程序系統(tǒng)，以期逐步形成有效的工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的自主技術(shù)與工具。

本文基于功能分解原理及模塊化思想，將工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸綜合、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解及工作空間求解模塊化。依據(jù)邊界曲線的幾何特征重新劃分工作空間的類(lèi)型，采用關(guān)鍵點(diǎn)位置分析法及改進(jìn)的CAD變量幾何法求解工作空間。將VB作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將SOLIDWORKS和MATLAB作為后處理器，將各模塊封裝到機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)軟件中。以庫(kù)卡機(jī)器人KR6-2為例進(jìn)行了軟件試驗(yàn)及驗(yàn)證。

1　模塊的劃分

以產(chǎn)品總功能為對(duì)象，將工業(yè)機(jī)器人分解為若干模塊，以盡量少的模塊組成盡可能多的產(chǎn)品。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)而言，需考慮以下模塊劃分原則：

(1)功能的相對(duì)獨(dú)立性，即劃分的模塊應(yīng)具有明確且相對(duì)獨(dú)立的功能。

(2)合適的粒度，即適當(dāng)?shù)貏澐至６?，使搭建的機(jī)器人有較多的構(gòu)型，但又不因模塊種類(lèi)過(guò)多而使系統(tǒng)繁雜。

(3)數(shù)據(jù)的傳遞性，即模塊具有良好的可速配的輸入輸出數(shù)據(jù)接口，便于相關(guān)數(shù)據(jù)的接受與處理。

(4)系統(tǒng)的開(kāi)放性，即系統(tǒng)的軟硬件均具有開(kāi)放性，能夠兼容具有標(biāo)準(zhǔn)接口的外部模塊組件。

基于以上原則，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程可劃分為圖1所示的模塊。機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊是機(jī)器人各種功能實(shí)現(xiàn)的載體，也是建立各種規(guī)格機(jī)器人的“硬件”基礎(chǔ)，其接口設(shè)計(jì)的好壞直接影響到模塊的裝配速度與正確性。運(yùn)動(dòng)學(xué)、工作空間、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、標(biāo)定、控制等方面的分析具有相對(duì)獨(dú)立性，可將其劃分為獨(dú)立的模塊。坐標(biāo)系模塊是將用戶(hù)需求轉(zhuǎn)換為D-H參數(shù)的關(guān)鍵，也是將結(jié)構(gòu)模塊與分析模塊連接起來(lái)的紐帶。數(shù)據(jù)庫(kù)是分析模塊間數(shù)據(jù)交換與傳遞的通道，能夠兼容具有標(biāo)準(zhǔn)接口的外部模塊。若需考慮剛度、軌跡規(guī)劃等設(shè)計(jì)要求，只需將計(jì)算過(guò)程程序化并接入數(shù)據(jù)庫(kù)通道，調(diào)用由坐標(biāo)系模塊求得的D-H參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等數(shù)據(jù)作為此模塊的輸入控件即可實(shí)現(xiàn)軟件功能的擴(kuò)展。

圖1　工業(yè)機(jī)器人的模塊劃分

2　模塊庫(kù)的建立

由于客戶(hù)需求與機(jī)器人工作空間、構(gòu)型及零件尺寸的確定息息相關(guān)，而力學(xué)、標(biāo)定等方面的分析對(duì)機(jī)器人工作空間的影響小。因此，將搭建滿足工作空間需求的機(jī)器人模型作為工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)中首要解決的問(wèn)題，對(duì)圖1中的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)、擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)、自動(dòng)裝配模塊庫(kù)、坐標(biāo)系模塊庫(kù)和工作空間模塊庫(kù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

2.1標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)

如圖2所示，廣泛使用的工業(yè)機(jī)器人按坐標(biāo)形式的不同可分為5類(lèi)。從功能上看，工業(yè)機(jī)器人由基座提供支撐，由關(guān)節(jié)提供運(yùn)動(dòng)，由末端執(zhí)行器抓取工件，由連桿將各功能單元連起來(lái)。從結(jié)構(gòu)上看，各關(guān)節(jié)軸線有平行共線、平行不共線、共面垂直、異面垂直4種情況。

(a)直角坐標(biāo)式　　(b)圓柱坐標(biāo)式　　(c)球坐標(biāo)式

(d) SCARA式　　　　　　(e)關(guān)節(jié)式　　圖2　工業(yè)機(jī)器人的分類(lèi)(按坐標(biāo)形式的不同)

遵循上述功能結(jié)構(gòu)分析及模塊劃分原則，將工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)分為基座、關(guān)節(jié)、連桿、手腕、末端執(zhí)行器、連接桿六大類(lèi)模塊，如圖3所示。

軸線共面垂直式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1 軸線異面垂直式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1 其他回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2

移動(dòng)關(guān)節(jié) 軸線垂直式連桿1 軸線平行式連桿2 軸線共線式連桿3

RBR型手腕 BBR型手腕RB型手腕 BB型手腕

BR型手腕 B型手腕連接模塊 基座

吸附式末端1　　　　　夾持式末端2

(1)關(guān)節(jié)模塊。只有一個(gè)自由度，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)，共5種模塊。其中，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1所連模塊的軸線共面垂直；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2所連模塊的軸線異面垂直，適用于偏置較小、用連桿模塊表達(dá)困難的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1用于機(jī)器人腰部的回轉(zhuǎn)動(dòng)作，其他回轉(zhuǎn)動(dòng)作由回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2實(shí)現(xiàn)。

(2)連桿模塊、基座模塊、末端模塊。這三類(lèi)模塊沒(méi)有自由度，其運(yùn)動(dòng)主要通過(guò)關(guān)節(jié)模塊或手腕模塊實(shí)現(xiàn)。其中，連桿模塊包括連桿1、連桿2、連桿3，連桿1所連模塊的軸線垂直，連桿2所連模塊的軸線平行，連桿3所連模塊的軸線共線；末端模塊有兩種，末端1是吸附式結(jié)構(gòu)，末端2是夾持式結(jié)構(gòu)；基座模塊只有一種結(jié)構(gòu)。

(3)手腕模塊。按照自由度數(shù)分為單自由度、二自由度和三自由度三類(lèi)，共6種模塊。其中，三自由度手腕有BBR型(B代表俯仰關(guān)節(jié)，R代表旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))、RBR型兩種，兩自由度手腕有BB型、BR型和RB型三種，單自由度手腕有B型、R型兩種，R型可用回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2代替。

(4)連接模塊。6面都能進(jìn)行模塊連接的無(wú)自由度被動(dòng)模塊。連接模塊將2個(gè)連桿模塊連接起來(lái)，可形成一個(gè)更長(zhǎng)的連桿模塊；可以作為轉(zhuǎn)向模塊使用，增加其他模塊的使用靈活性。連接模塊的設(shè)計(jì)使機(jī)器人的構(gòu)型更加豐富多樣，大大增加了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)模塊可搭建形成的機(jī)器人構(gòu)型方案數(shù)目。

2.2擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)

擴(kuò)展結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)是指將標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊的約束信息變量化，根據(jù)具體工藝條件給變量化參數(shù)賦予不同數(shù)值，從而得到一系列尺寸不同、形狀類(lèi)似的結(jié)構(gòu)模塊。該模塊庫(kù)能實(shí)時(shí)根據(jù)工作空間的要求對(duì)連桿尺寸作出調(diào)整，確保搭建的機(jī)器人模型比例協(xié)調(diào)，有效減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)計(jì)算工作。

在結(jié)構(gòu)模塊搭建過(guò)程中，所有結(jié)構(gòu)模塊的接口尺寸必須保持一致。因此，將桿長(zhǎng)尺寸與接口尺寸之比作為內(nèi)置縮放比例基準(zhǔn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行平行縮放。將各模塊接口尺寸的平均值作為每次標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊擴(kuò)展設(shè)計(jì)的統(tǒng)一尺寸，對(duì)其接口尺寸進(jìn)行微調(diào)縮放，其余尺寸保持不變。

工業(yè)機(jī)器人與人類(lèi)手臂在結(jié)構(gòu)功能等方面具有高度相似性。因此，以人類(lèi)手臂參數(shù)作為內(nèi)置縮放系數(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)，即小臂、大臂、偏置桿、移動(dòng)關(guān)節(jié)的桿長(zhǎng)與接口尺寸之比分別為8、7.2、6、8.67。在圖4界面中輸入各桿桿長(zhǎng)及關(guān)節(jié)變量范圍，系統(tǒng)根據(jù)桿長(zhǎng)及內(nèi)置比例基準(zhǔn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行平行縮放與微調(diào)縮放。其中，偏置1指第一個(gè)關(guān)節(jié)軸線與第二個(gè)關(guān)節(jié)軸線之間的距離；偏置2指小臂軸線與手腕軸線之間的距離；偏置3指基座軸線與手臂軸線之間的距離。

圖4　工業(yè)機(jī)器人的參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

2.3自動(dòng)裝配模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)

多模塊組合形成的機(jī)器人構(gòu)型方案數(shù)量巨大，采用手工裝配耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、效率低。為此，本文將結(jié)構(gòu)模塊的接口標(biāo)準(zhǔn)化，即基座、連桿、末端等模塊的接口為外伸型；關(guān)節(jié)、手腕等模塊的接口為內(nèi)嵌型；連接模塊、移動(dòng)關(guān)節(jié)等模塊有外伸型與內(nèi)嵌型兩種接口。在接口處添加基準(zhǔn)面與基準(zhǔn)軸以實(shí)現(xiàn)模塊自動(dòng)裝配功能。圖5為連桿3與回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2的接口形式及自動(dòng)裝配示意圖。

圖5　模塊接口形式與自動(dòng)裝配示意圖

2.4坐標(biāo)系模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題貫穿機(jī)器人設(shè)計(jì)的始終，在動(dòng)力學(xué)求解、軌跡規(guī)劃、控制等方面有著重要作用。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法主要有D-H參數(shù)法[14]和局部指數(shù)積公式法[15]。對(duì)于模塊化機(jī)器人而言，其構(gòu)型需要根據(jù)具體的工藝條件隨時(shí)變化，傳統(tǒng)的根據(jù)具體機(jī)器人構(gòu)型推導(dǎo)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的方法明顯不再適用。對(duì)此，采用模塊化思想建立坐標(biāo)系模塊庫(kù)。

圖6所示為移動(dòng)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系建立過(guò)程。移動(dòng)關(guān)節(jié)相對(duì)基礎(chǔ)坐標(biāo)系有3種初始位姿：位姿1中，移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系X軸方向運(yùn)動(dòng)；位姿2中，移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系Y軸方向運(yùn)動(dòng)；位姿3中，移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系Z軸方向運(yùn)動(dòng)。選定關(guān)節(jié)的初始位姿后，依據(jù)D-H法建立的坐標(biāo)系n的zn軸隨之確定。當(dāng)zn軸的方向確定以后，xn軸的方向可以根據(jù)zn軸與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的關(guān)系進(jìn)行如下判定：

(1)當(dāng)移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系的X軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)(圖6中位姿1)，zn軸與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的X軸同向，xn軸則存在與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的Y軸或Z軸同向的兩種情況；

(2)當(dāng)移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系的Y軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)(圖6中位姿2)，zn軸與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的Y軸同向，xn軸則存在與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的X軸或Z軸同向的兩種情況；

(3)當(dāng)移動(dòng)關(guān)節(jié)沿基礎(chǔ)坐標(biāo)系的Z軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)(圖6中位姿3)，zn軸與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的Z軸同向，xn軸則存在與基礎(chǔ)坐標(biāo)系的X軸或Y軸同向的兩種情況。

分別對(duì)每種情況建立坐標(biāo)系即可得到該關(guān)節(jié)模塊的坐標(biāo)系模塊庫(kù)。其他關(guān)節(jié)模塊的坐標(biāo)系模塊庫(kù)可以采用類(lèi)似的方法建立。

圖6　移動(dòng)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系模塊庫(kù)

由于每一模塊的內(nèi)置坐標(biāo)系不唯一，故設(shè)定如下調(diào)用原則：根據(jù)模塊種類(lèi)及初始位姿確定zn軸，根據(jù)zn軸與zn+1軸的幾何關(guān)系確定xn軸，如表1所示。

表1　xn軸的調(diào)用原則

表1中，xn、zn分別為沿坐標(biāo)系n中xn軸、zn軸正方向的單位矢量，zn+1為沿坐標(biāo)系on+1xn+1yn+1zn+1中zn+1軸正方向的單位矢量。

2.5工作空間模塊庫(kù)的設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人工作空間的邊界曲線是由圓弧組成的，如圖7所示。曲線3、4、5是同心圓，曲線1、2是在大臂處于極值時(shí)小臂旋轉(zhuǎn)得到的圓弧曲線，點(diǎn)P是由不同姿態(tài)下的機(jī)器人在同一工作點(diǎn)交叉形成的。

圖7　工作空間的邊界曲線

根據(jù)關(guān)節(jié)極值范圍可以方便地得到圓弧曲線的圓心點(diǎn)、起點(diǎn)與終點(diǎn)。交叉點(diǎn)可以根據(jù)改進(jìn)的CAD變量幾何法得到，即將不同姿態(tài)下機(jī)器人的點(diǎn)線式平面連桿機(jī)構(gòu)繪制到同一坐標(biāo)系下，利用幾何關(guān)系求解交叉點(diǎn)的坐標(biāo)。如圖8所示，由于d2與a2始終垂直，為便于分析，將d2移至a2末端，以d2末端作為手腕參考點(diǎn)，由△AOP≌△BOP可求得點(diǎn)P在不同姿態(tài)中的坐標(biāo)。

圖8　交叉點(diǎn)的求解分析圖

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)生成的工作空間形狀不同，但其交叉情況卻有跡可循，以R3、R4表示曲線3、4的半徑；θ3為小臂關(guān)節(jié)角。交叉規(guī)律如表2所示。

表2　工作空間邊界曲線的交叉規(guī)律

工作空間按照表2的規(guī)律可分為5類(lèi)，如圖9所示。當(dāng)曲線1與曲線2不相交時(shí)，工作空間呈開(kāi)口狀，稱(chēng)為開(kāi)口型工作空間(圖9a、圖9b)；當(dāng)曲線1與曲線2相交時(shí)，工作空間呈封閉狀，稱(chēng)為封閉型工作空間(圖9c、圖9d)。通常情況下，曲線3開(kāi)口向右，曲線4開(kāi)口向左。R3>R4時(shí)，曲線4不與曲線1、2相交，以曲線4的開(kāi)口方向作為工作空間的形狀特征，稱(chēng)工作空間為左向型(圖9a、圖9c)。R3

(a)開(kāi)口左向型　　　　　(b)開(kāi)口右向型

(c)閉口左向型　　　　　(d)閉口右向型

(e)四線簡(jiǎn)化型圖9　工作空間的分類(lèi)

系統(tǒng)根據(jù)輸入?yún)?shù)判定工作空間的類(lèi)型并根據(jù)桿長(zhǎng)參數(shù)調(diào)整內(nèi)置的平面連桿模擬機(jī)構(gòu)，使其尺寸與搭建的機(jī)器人模型一致。根據(jù)關(guān)節(jié)變量θ2與θ3的范圍，將其中一個(gè)關(guān)節(jié)角固定在最大值或最小值，讓另一個(gè)關(guān)節(jié)角以一定步長(zhǎng)從最小值到最大值變化，后處理軟件記錄此過(guò)程中手腕末端參考點(diǎn)的軌跡，以此求得工作空間的邊界曲線。

3　模塊庫(kù)的集成與管理

簡(jiǎn)單合理的庫(kù)集成界面及庫(kù)管理功能是各模塊順利運(yùn)行的基礎(chǔ)。將VB軟件作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將MATLAB、SOLIDWORKS作為后處理器，開(kāi)發(fā)機(jī)器人機(jī)械本體自主設(shè)計(jì)軟件。各模塊的程序化、集成化原理如下：

(1)基于對(duì)象鏈接與嵌入技術(shù)，將圖形顯示平臺(tái)SOLIDWORKS建立的結(jié)構(gòu)模塊庫(kù)鏈接到圖10的“模塊連接順序表”控件中，單擊“搭建空間”按鈕，打開(kāi)圖11所示的工作窗口。單擊模塊連接順序表內(nèi)各模塊前的復(fù)選框即可實(shí)現(xiàn)模塊的自動(dòng)調(diào)用與刪除。

圖10　模塊的集成與管理界面

圖11　SOLIDWORKS工作界面

(2)將SOLIDWORKS宏工具記錄的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊的代碼移植到VB中，用圖4中輸入的桿長(zhǎng)參數(shù)替換代碼中標(biāo)準(zhǔn)模塊的桿長(zhǎng)尺寸，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

(3)坐標(biāo)系模塊以圖片形式保存在VB軟件中。系統(tǒng)根據(jù)所選模塊的種類(lèi)、初始位姿及模塊連接順序，按照坐標(biāo)系模塊的調(diào)用規(guī)則，利用圖片加載函數(shù)LoadPicture將所選模塊的坐標(biāo)系自動(dòng)調(diào)入軟件中并組建相應(yīng)的連桿坐標(biāo)系。

(4)利用插件MatrixVB，系統(tǒng)將基于D-H參數(shù)法建立的齊次變換矩陣轉(zhuǎn)換為VB語(yǔ)言表示的齊次變換矩陣——描述末端執(zhí)行器空間位姿的矩陣方程。

(5)基于Excel二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，系統(tǒng)將圖4中的輸入數(shù)據(jù)傳遞到Excel中，使用MATLAB軟件內(nèi)置的xlsread函數(shù)讀取Excel中的數(shù)據(jù)，并存入到圖12所示的表Ⅰ中，實(shí)現(xiàn)VB界面與MATLAB軟件的數(shù)據(jù)傳遞。利用MATLABRoboticsToolbox插件建立機(jī)器人連桿機(jī)構(gòu)，對(duì)相關(guān)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。

圖12　MATLAB數(shù)據(jù)計(jì)算與驗(yàn)證界面

4　實(shí)例計(jì)算與驗(yàn)證

該工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體自主設(shè)計(jì)軟件能夠搭建出數(shù)量眾多的模型，為證明該軟件的可靠性，以庫(kù)卡機(jī)器人KR6-2為例進(jìn)行了計(jì)算與驗(yàn)證。從圖10中的“模塊連接順序表”調(diào)用結(jié)構(gòu)模塊到SOLIDWORKS中并設(shè)定初始姿態(tài)；在圖4中輸入結(jié)構(gòu)參數(shù)以對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行平行縮放。最終建立的機(jī)器人模型如圖13a所示，圖13b所示為對(duì)應(yīng)的連桿坐標(biāo)系。

(a)KR6-2模型　　　　　　　(b)連桿坐標(biāo)系圖13　KR6-2模型及連桿坐標(biāo)系

4.1正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解與驗(yàn)證

單擊圖13b中的“連桿參數(shù)表”按鈕，系統(tǒng)將圖4中輸入的桿長(zhǎng)參數(shù)及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍通過(guò)插件MatrixVB轉(zhuǎn)化為圖14所示的D-H參數(shù)表。

圖14　D-H參數(shù)表界面

單擊“運(yùn)動(dòng)學(xué)正解”按鈕，系統(tǒng)基于D-H參數(shù)法及齊次坐標(biāo)變換法自動(dòng)求出在給定關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角時(shí)末端執(zhí)行器的位姿矩陣，如圖15所示。圖12為利用MATLABRoboticsToolbox模擬KR6-2生成的相關(guān)數(shù)據(jù)。對(duì)比圖12中表Ⅰ與圖14中的連桿參數(shù)數(shù)據(jù)可知，由模塊化設(shè)計(jì)生成的連桿參數(shù)結(jié)果正確；對(duì)比圖12中表Ⅱ與圖15中的手臂變換矩陣元素，可以發(fā)現(xiàn)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)求解結(jié)果正確。

圖15　末端執(zhí)行器的位姿矩陣

4.2工作空間求解與驗(yàn)證

單擊工作空間自主求解界面的“工作空間求解”按鈕，繪制出KR6-2的工作空間主視圖(圖16)。圖17為KR6-2官網(wǎng)給出的工作空間主視圖，由模塊化設(shè)計(jì)得到的工作空間主視圖長(zhǎng)度尺寸L1、L2、L3、L4相對(duì)于官網(wǎng)給出數(shù)據(jù)的誤差分別為0.004%、0.020%、0.005%、0.006%?？梢园l(fā)現(xiàn)，主要尺寸的相對(duì)誤差均在0.1%以下，由此可見(jiàn)軟件求出的工作空間是十分準(zhǔn)確的。

圖16　KR 6-2的工作空間主視圖

圖17　庫(kù)卡官網(wǎng)KR 6-2的工作空間主視圖

5　結(jié)論

(1)基于功能分解原理及模塊化思想，將工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、模型裝配、數(shù)據(jù)傳遞與共享、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、工作空間求解模塊化。將VB作為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，將各模塊集成到工業(yè)機(jī)器人機(jī)械本體自主設(shè)計(jì)軟件中，實(shí)現(xiàn)了模塊的智能管理。

(2)根據(jù)工作空間邊界曲線的幾何特征及交叉點(diǎn)的分布規(guī)律，將工作空間重新劃分為五類(lèi)?；陉P(guān)鍵點(diǎn)位置分析法及改進(jìn)的CAD變量幾何法求解工作空間，該方法具有計(jì)算精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)。

(3)以庫(kù)卡機(jī)器人KR6-2為例，進(jìn)行了正運(yùn)動(dòng)學(xué)及工作空間的求解與驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于模塊化思想開(kāi)發(fā)的機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)軟件計(jì)算速度快、通用性高，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的柔性化自主設(shè)計(jì)具有一定的理論指導(dǎo)意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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(編輯張洋)

Modular Design of Mechanical Noumenon for Industrial Robots

Xiao ChaoZhou YulinSheng HaiyongHou Yulei

Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei, 066004

Based on the idea of mechanical noumenon modular design method as well as decomposition principles of structure functions, a standard mechanical structure module library was established and the self-assembling function was achieved. The human arm parameters were used as built-in parameters of the standard mechanical structure module library, which might establish a extended structure module library with different sizes and similar functions. The workspace was reclassified based on the geometric characteristics of boundary curves. The solving process of workspace was modularized according to the key point position analysis method and improved CAD variable geometric method. The D-H parameters generated by the module library of coordinate system were used as share data among each module library, which might realize automatic solution of kinematics and workspace. The forward kinematics and workspace modular automatic solution of KUKA KR6-2 were taken as an example, the software running results and theoretical calculation results were compared and analyzed, and the results show that this method can meet the robot’s flexible and autonomous design requirements.

industrial robot； modular design； workspace； secondary development

肖超，女，1990年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人理論及應(yīng)用技術(shù)。盛海泳，男，1987年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。侯雨雷，男，1980年生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。周玉林(通信作者)，男，1961年出生。燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。

2015-06-04

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2010ZX04004-112-2)

TP242

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.08.005