蘇寧

（遼寧省葫蘆島市錦西工業(yè)學(xué)校，遼寧 葫蘆島 125000）

機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)

蘇寧

（遼寧省葫蘆島市錦西工業(yè)學(xué)校，遼寧 葫蘆島 125000）

分析虛擬產(chǎn)品的建模、仿真的命名、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)為虛擬機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供參考。分析了機(jī)械手在虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)中的體系結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的模塊以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)知識庫、三維仿真模塊等，還采取措施對水果采摘機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。

機(jī)械手；虛擬設(shè)計(jì)；參數(shù)化；仿真

1 虛擬產(chǎn)品的建模、仿真、命名與規(guī)則

設(shè)計(jì)虛擬產(chǎn)品應(yīng)該本著“數(shù)字化、智能化、集成化”的標(biāo)準(zhǔn)。涉及很多跨領(lǐng)域、跨專業(yè)人員還有小同專業(yè)人員的參與，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品信息的共享和重用，需要研究零件信息的介理表達(dá)，即在計(jì)算機(jī)中，確保每一種產(chǎn)品具有相同的零件信息。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)件命名的規(guī)則

對于標(biāo)準(zhǔn)件的命名，需要以一定的規(guī)則為基礎(chǔ)，即以國際標(biāo)準(zhǔn)為主。對于標(biāo)準(zhǔn)零件的命名，以中文名稱拼音的首字母為主。為了更好地區(qū)分，可在后面加一位特征參數(shù)。比如規(guī)格為l0的標(biāo)準(zhǔn)螺紋LM10。

1.2 非標(biāo)準(zhǔn)件的命名規(guī)則

1.2.1 產(chǎn)品的名稱

為了給產(chǎn)品命名，往往以中文名稱的拼音的第一個(gè)字母為主，或者選前兩個(gè)或者前三個(gè)。若區(qū)別不好，可在其后面加一位。比如，命名機(jī)械手設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，用機(jī)械手的拼音縮寫來命名，即Jxs寫在最開始。

1.2.2 部件的名稱

一般前面是產(chǎn)品名稱，后面是部件的編號。比如，編號為01，則部件為1，而其它的部件名稱也按照這個(gè)命名。比如，機(jī)械手設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的命名，針對機(jī)械手，由三部分組成，即底座、手臂、末端執(zhí)行器。所以，把Jxs-01作為底座的命名，而Jxs-02為手臂的命名，Jxs-03為末端執(zhí)行器的命名。

1.2.3 非標(biāo)準(zhǔn)零件名稱

對于非標(biāo)準(zhǔn)零件，命名為前部分是產(chǎn)品名稱，后部是部件的編號，加上零件的編號。比如，給零件1命名的時(shí)候，編號記為01，其他零件的命名在這個(gè)為基礎(chǔ)上進(jìn)行。比如，機(jī)械手設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，電機(jī)被命名為Jxs-01.02。

2 采摘機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)、體系、結(jié)構(gòu)

2.1 采摘機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)

對于采摘機(jī)械手涉及兩部分，即虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)，主要進(jìn)行仿真與機(jī)械手的參數(shù)化設(shè)計(jì)等。所以，為了分析采摘機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)，從如下特點(diǎn)分析。

（1）虛擬產(chǎn)品命名的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)。在對虛擬產(chǎn)品的進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，使用了大量跨專業(yè)的人員。對于零部件，在命名虛擬產(chǎn)品建模與仿真中的屬性時(shí)要達(dá)到統(tǒng)一而規(guī)范。其命名規(guī)則標(biāo)準(zhǔn)以機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)為角度分析，分別規(guī)定了在程序設(shè)計(jì)中機(jī)械手不同部件的命名規(guī)則。

（2）為了便于機(jī)械手設(shè)計(jì)每一個(gè)環(huán)節(jié)的屬性管理，需要對機(jī)械手的特征屬性參數(shù)化。當(dāng)用戶對某一個(gè)零部件進(jìn)行修改與設(shè)計(jì)、優(yōu)化時(shí)，僅僅對其對應(yīng)的特征、參數(shù)完善。接著需要進(jìn)一步修改與更新，即系統(tǒng)在VC++、Solidwork實(shí)時(shí)通信的基礎(chǔ)上完成。

（3）重用設(shè)計(jì)知識。對于一部分知識需要用戶重新組合或部分修改，從而形成新的設(shè)計(jì)或部件。

（4）為了應(yīng)用與管理知識，需要借助數(shù)據(jù)庫的知識庫。對于采摘機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，為了構(gòu)建知識庫而使用了數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

2.2 采摘機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

對于采摘機(jī)械手，從虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)分析，包括：機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、誤差的分析、雙目立體的視覺、機(jī)械手的仿真、知識手冊的模塊等五個(gè)子模塊。為了設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，往往從3部分進(jìn)行，即底座、手臂、末端執(zhí)行器等。而誤差分析主要分析機(jī)構(gòu)的誤差、視覺的誤差、關(guān)聯(lián)的誤差等。為了對物體進(jìn)行識別和定位，需要使用雙目立體視覺。對于機(jī)械手仿真，主要仿真正運(yùn)動、逆運(yùn)動的情況。其中，為了仿真正運(yùn)動的情況，需要用戶把每一個(gè)關(guān)節(jié)的具體值輸入進(jìn)去，讓機(jī)械手自己依據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)值來運(yùn)動。反之，用戶依據(jù)末端執(zhí)行器所提供的坐標(biāo)值，即在空間的位置，來算出每一個(gè)關(guān)節(jié)的具體值，最終促進(jìn)機(jī)械手結(jié)合參數(shù)值來完成運(yùn)動。

3 機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 總體的技術(shù)

對于機(jī)械手，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要把其虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)總體技術(shù)等結(jié)合起來，這樣，使得系統(tǒng)的每一部分子模塊的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了信息和資源的重用與共享。使用的技術(shù)有數(shù)字仿真、虛擬仿真與三維建模等而知識庫管理的技術(shù)、系統(tǒng)框架搭建等技術(shù)，需結(jié)合這些技術(shù)于一起，借助VC++6.0平臺完成與軟件的相互通信，這些軟件包括Matlab, EON, Solidwork, SQL等。而VC++6.0混編，需要與Matlab結(jié)合在一起，即在Matlab編譯器下，構(gòu)建一個(gè)動態(tài)鏈接庫dll，第二步，在VC中被調(diào)用。通過添加EONX. eDrawings控件實(shí)現(xiàn)VC++6.0與EON. Solidwork的連接。

3.2 設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)

機(jī)械手的用途各不一樣，其操作的對象也不一樣，則其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也不一樣。比如，水果采摘機(jī)械手，每一個(gè)果實(shí)的生長位置往往不同，這樣就需要機(jī)械手靈活把握。本系統(tǒng)以參數(shù)化為思想，從整體方案設(shè)計(jì)分析，包括三部分，即設(shè)計(jì)底座、手臂、末端執(zhí)行器等。

3.3 在數(shù)據(jù)庫的知識庫的基礎(chǔ)上完成構(gòu)建與查詢

知識庫服務(wù)于某個(gè)或多個(gè)領(lǐng)域，其往往采用某種或多種方法，而在計(jì)算機(jī)存儲器中完成存儲、組織、使用、管理等，集中這些知識在一起。其體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)最終形成組織，這樣在操作、管理等方面很有效。對于采摘機(jī)械手，在數(shù)據(jù)庫知識庫基礎(chǔ)上構(gòu)建其虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)。在知識庫的構(gòu)建和管理中，使用了成熟的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

在知識庫中，往往把知識、數(shù)據(jù)庫中的表建立在一起，即映射到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的表的一些情況，包括知識信息的屬性、聯(lián)系、規(guī)則。

（1）對于零件自身的屬性，往往要描繪在數(shù)據(jù)表中。零件的屬性，即材料、長度、厚度等，構(gòu)成數(shù)據(jù)表中的字段部分，以SQL為代碼，同時(shí)，零件的編號即ID，其值非零。

（2）對于零件與零件之間的關(guān)系，往往會反應(yīng)在數(shù)據(jù)表中。有的部件，往往由十幾個(gè)零件組成，有的是同種類型的零件，也有多部件組成。零件ID是數(shù)據(jù)表中的一個(gè)字段，而部件編號以主碼ID為主。

（3）把部件與部件之間的聯(lián)系映射在數(shù)據(jù)表中。在數(shù)據(jù)表中，其每一個(gè)字段往往由很多部件組成，主碼被作為方案的編號使用，而每一種方案，均需要加一個(gè)權(quán)重分析。比如，用戶一旦給與了不清楚的信息，就要這些不清楚信息與知識庫中的知識進(jìn)行比較分析，從而得出每一個(gè)特征參數(shù)的比值。針對知識庫的知識，也要進(jìn)行必要的修改、編輯，從而有效地對知識進(jìn)行存取與搜索。所以，為了確保知識庫具有統(tǒng)一性、完備性，需要數(shù)據(jù)庫達(dá)到實(shí)體的完整，參照的完整、用戶定義的完整等特點(diǎn)。

查詢知識庫主要查詢數(shù)據(jù)庫。在用戶給出需求之后，知識庫分析每一種方案的比重，即把數(shù)目大的一方給用戶使用。接著，在總體設(shè)計(jì)的方案基礎(chǔ)上，讓用戶分析每一個(gè)零件詳細(xì)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中。一旦用戶輸入的參數(shù)與知識庫中知識相矛盾，則系統(tǒng)會做出對應(yīng)提示，使設(shè)計(jì)方案更加完善。

3.4 機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

Matlab具有數(shù)值的運(yùn)算功能；而EON具有仿真功能；SQL具有數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)；再有，結(jié)合參數(shù)化、知識重用等，可以在VC++6.0平臺上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)，并開發(fā)了機(jī)械手物理樣機(jī)，為了驗(yàn)證這些關(guān)鍵技術(shù)的意義，可通過仿真和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行。

總而言之，通過把智能、參數(shù)化的知識重用、虛擬仿真等技術(shù)結(jié)合在一起，就能夠開發(fā)出機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)、仿真系統(tǒng)。

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1671-0711（2017）01（下）-0106-02