楊 維，暢子威，張婉瑩

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710300）

基于三菱工業(yè)機(jī)械手的繪畫(huà)機(jī)器人

楊 維，暢子威，張婉瑩

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710300）

工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備。設(shè)計(jì)以三菱六自由度工業(yè)機(jī)器人為主體，設(shè)計(jì)了繪畫(huà)機(jī)器人的手部，采用MELFA-BASIC-V語(yǔ)言進(jìn)行編程，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人繪畫(huà)。

工業(yè)機(jī)器人；繪畫(huà)；示教編程

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越高，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的重要因素。工業(yè)機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)各種要求的工序前提下，大大提高了工業(yè)過(guò)程的質(zhì)量，而且大大解放了生產(chǎn)力，改善了工作環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約了成本，提高了生產(chǎn)效率。本文利用六自由度工業(yè)機(jī)器人為執(zhí)行元件，通過(guò)示教再現(xiàn)的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人繪畫(huà)。

1 繪畫(huà)機(jī)器人手部設(shè)計(jì)

機(jī)器人的手部是指安裝于機(jī)器人手臂末端，直接作用于工作對(duì)象的裝置。工業(yè)機(jī)器人所要完成的各種操作，最終都必須通過(guò)手部來(lái)得以實(shí)現(xiàn)，本文將六自由度機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)為筆筒形狀來(lái)完成規(guī)定繪畫(huà)動(dòng)作。

1.1 執(zhí)筆器設(shè)計(jì)

為滿足繪畫(huà)機(jī)器人繪制精細(xì)畫(huà)的要求，本文設(shè)計(jì)了一種固定的執(zhí)筆器。執(zhí)筆器的主要作用是連接畫(huà)筆和機(jī)械臂末端手。為了實(shí)現(xiàn)執(zhí)筆器的虛擬裝配，特意測(cè)量了機(jī)器人末端抓手的機(jī)械數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)繪制和裝配，得出如圖1所示的機(jī)器人執(zhí)筆器。執(zhí)筆器采用數(shù)控車(chē)床加工，筆筒為半徑25 mm的空心圓柱體，和工業(yè)機(jī)器人連接的部分采用50 mm的臺(tái)階[1]。

圖1 執(zhí)筆器

1.2 手部加工

繪畫(huà)機(jī)器人手部材質(zhì)采用鋁制材料，用白板筆作為畫(huà)筆。通過(guò)數(shù)控車(chē)床車(chē)削、鉆孔、鏜孔等加工工藝實(shí)現(xiàn)了筆筒的加工。手部與工業(yè)機(jī)器人連接部分采用沉頭螺釘連接[2-3]。部分加工程序如下：

車(chē)外圓

O0001

T0101

M03 S600

G00 X52 Z3

G71 U2 R1

G71 P10 Q20 U0.2 W0.1 FO.2

N10 G00 X18

G01 Z0 F0.15

X20 Z-1 F0.1

Z-39.5

X48

X50 Z-40.5

N20 X50.5

G70 P10 Q20 S800

G00 X100 Z150

M05

M30

O0002

T0404

M03 S600

G00 X14 Z3

G01 Z0 F0.15

X13.2 Z-0.5 F0.1

Z-10

X12.5

Z3 F1

G00 Z200 X50

M05

M30

2 繪畫(huà)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)由正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)成。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)是在給出各關(guān)節(jié)變量的條件下計(jì)算機(jī)器人的關(guān)節(jié)變量，從而得出機(jī)器人末端位姿；而逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)是已知機(jī)器人末端位姿的條件下得出機(jī)器人對(duì)應(yīng)位姿的全部關(guān)節(jié)變量。機(jī)器人平衡裝置影響著大臂、小臂的平衡，大臂臺(tái)座安裝在機(jī)器人的回轉(zhuǎn)平臺(tái)上，將大臂連桿的下端關(guān)節(jié)支承在臺(tái)座上，大臂連桿的上端關(guān)節(jié)則用于支承小臂。本文設(shè)計(jì)的繪畫(huà)機(jī)器人擁有六個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)工作，通過(guò)放置在各關(guān)節(jié)的傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，使得控制系統(tǒng)得知關(guān)節(jié)位置。

3 繪畫(huà)機(jī)器人控制

目前常用的繪畫(huà)機(jī)器人控制方法有描點(diǎn)法，首先將圖畫(huà)處理成線條，再將線條分解成點(diǎn)集后解算逆解，最后機(jī)器人按這些點(diǎn)形成圖畫(huà)，不能體現(xiàn)繪畫(huà)機(jī)器人仿人的特點(diǎn)，且筆跡不光滑、重影嚴(yán)重。這種常用的方法同面性差、重影嚴(yán)重且通用性不強(qiáng)。

本設(shè)計(jì)采用路徑規(guī)劃法，該方法是對(duì)描點(diǎn)法的改進(jìn)，處理成線條后進(jìn)行軌跡規(guī)劃，將描繪線條的點(diǎn)數(shù)盡可能減少再形成圖畫(huà)。將一幅圖分解成線段與點(diǎn)，將畫(huà)面放置于一個(gè)水平面上，測(cè)量每個(gè)必需點(diǎn)的空間坐標(biāo)。依據(jù)這些點(diǎn)空間坐標(biāo)和要求的姿態(tài)，通過(guò)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解出每個(gè)空間坐標(biāo)所對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角度。各關(guān)節(jié)活動(dòng)如圖2所示。

圖2 機(jī)器人關(guān)節(jié)活動(dòng)示意圖

本設(shè)計(jì)采用MELFA-BASIC-V語(yǔ)言進(jìn)行編程，主要應(yīng)用直線、圓弧插補(bǔ)等指令。此外機(jī)器人利用RT-TOOLBOX3.2軟件進(jìn)行示教采點(diǎn)[4]。繪畫(huà)效果如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人繪畫(huà)效果

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有機(jī)器人基礎(chǔ)上改造了軟件和硬件，使控制對(duì)象滿足繪畫(huà)的要求。在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，執(zhí)筆器達(dá)到有針對(duì)性的設(shè)計(jì)指標(biāo)。為了滿足繪畫(huà)機(jī)器人的使用環(huán)境，在 Pro/Engineer軟件環(huán)境下，經(jīng)過(guò)應(yīng)力分析多種結(jié)構(gòu)后最后設(shè)計(jì)出了滿足了設(shè)計(jì)要求的固定執(zhí)筆器。在軟件設(shè)計(jì)中，采用MELFA-BASIC-V編制整個(gè)控制程序，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人繪制簡(jiǎn)筆畫(huà)。

[1]徐秀娟.機(jī)械制圖[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2010.

[2]黃雨田.機(jī)械制造技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

[3]潘 東，趙 熹.數(shù)控加工技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2012.

[4]楊 維，修學(xué)強(qiáng).機(jī)器人制作與編程[M].北京：科學(xué)出版社2013.

Painting Robot Based on the MITSUBISHI Manipulator

YANG Wei，CHANG Zi-wei，ZHANG Wan-ying
（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Shaanxi Guofang Institute of Technology，Xi’an 710300，China）

The industrial robot is a mechanical，electronic，control，computers，sensors，automation equipment，artificial intelligence and other advanced technology.The design of the MITSUBISHI industrial robot with six degrees of freedom as the main body，using MELFA-BASIC-V language programming，finally realized the painting robot.

industrial robot；painting；teaching programming

TP241.2

B

1672-545X（2017）09-0125-02

2017-06-27

本文受到陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題資助（Gfy17-26）

楊 維（1983-），女，陜西戶縣人，本科，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。