劉旭升 王 嬌 馬樂萍

（1.山西藥科職業(yè)學院，太原 030000；2.太原理工大學，太原 030024）

六自由度機械手主要通過計算機進行控制，液壓與氣壓都具有高精度以及高效率的先進數(shù)控加工設備，采用智能控制的機械手又被稱為工業(yè)機器人，被廣泛應用在了工廠中的流水線生產(chǎn)中，代替了人力很多繁重的工作，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著非常重要的作用，能夠極大的提高工作效率，機械手的研發(fā)對于工業(yè)的發(fā)展有積極的推動作用[1]。在本文的研究設計中對能夠簡化機械產(chǎn)品的設計開發(fā)產(chǎn)品的周期進行了研究，簡化周期能夠降低產(chǎn)品開發(fā)的設計成本，提高產(chǎn)品的可靠性，對六自由度機械手進行Proe建模，在計算機仿真環(huán)境下對產(chǎn)品進行仿真與運動軌跡的規(guī)劃。

1 六自由度機械手建模

1.1 六自由度機械手設計原理

機械手運動的方式有上下升降、伸縮以左右旋轉等,能夠獨立操作的運動方式稱為機械手的自由度。在機械手的設計中，自由度是一項關鍵的技術參數(shù)，當自由度的運動方式越多，機械手的靈活度就越高，適用的范圍也就越廣，相對應的內(nèi)部設計結構也就越復雜。本文根據(jù)機械手的使用方向、設計成本以及技術難點等關鍵因素，選擇設計的機械手自由度為六個，末端執(zhí)行器能夠自由變化，完成物體的抓取、移動以及擺放等操作.

1.2 機械手的系統(tǒng)設計

機械手系統(tǒng)由六部分組成，六自由度機械手的關節(jié)設計分別由不同的型號伺服電機與步動電機組成，構成了轉動和移動關節(jié)，關節(jié)的轉角θz1、θz2范圍分別為0°～360°、45°～180°，移動范圍D1為0～220mm?，F(xiàn)有一個完全靜止的物體，三維坐標已經(jīng)確定，機械手需要對其進行抓取，在抓取時底座驅動機通過傳動齒輪實現(xiàn)減速，使機構驅動旋轉臂進行轉動；確定抓取的物體后，旋轉臂與機械手形成角度差，伸縮臂驅動電機驅動伸縮臂進行移動，確定抓取物體與機械手的方向差；伺服電機需要通過減速機構，帶動轉動臂進行旋轉并確定角度，執(zhí)行器根據(jù)電磁力完成后續(xù)物體抓取操作[2]。

1.3 基于Proe軟件對機械手進行建模

利用Proe軟件對機械手進行建模后得到機械手的整體結構系統(tǒng)，機械手的整體系統(tǒng)架構中包含了底座、旋轉的電機、減速的機構、中心的齒輪以及坐標軸的伸縮方向等。

2 基于Proe的六自由度仿真設計

在Proe建模軟件中建立機械手的每一個零件三維模型，進行裝配連接，然后進入到Proe模塊中進行運動仿真設計[3]。首先構建機械手的模型，如圖1所示，然后進行運動學的仿真分析，觀察末端執(zhí)行器的運動狀態(tài)以及速度的變化；其次，根據(jù)所得數(shù)據(jù)判斷機械手設計是否合理。在Matlab中，對機械手進行構建主要是采用的Link函數(shù)，根據(jù)D-H的參數(shù)與各個關節(jié)對應的類型進行構造，

圖1 六自由度機械手模型

在對伺服電機進行設置時，要保持電機轉動方向與轉角方向一致，在軟件中主要通過“時間—位置”功能定義伺服電機系統(tǒng)，使用Matlab算出每一個關節(jié)的軌跡范圍，并根據(jù)時間進行數(shù)據(jù)的輸入，定義機械手的最初位置。同時，根據(jù)運動仿真位置，設定關節(jié)轉角，進行運動分析，設置相應運動參數(shù)，其中時間設置為15s。運動仿真結束后根據(jù)運動仿真的結果進行運動學的分析，保證兩者運動軌跡能夠保持基本一致，驗證機械手運動仿真的正確性。最后將Matlab與Proe相互結合，對機械手進行設計，利用Matlab強大的運算功能與Proe的三維建模功能，完善機械手運動仿真功能。

3 基于Proe的六自由度運動軌跡的規(guī)劃設計

機械臂的末端執(zhí)行器需要根據(jù)不同軌跡規(guī)劃進行不同形式的插補工作，基于兩點之間的插補要求，機械手末端執(zhí)行器的運動軌跡設計要求非常嚴格。本設計采用坐標系設計法對運動軌跡進行規(guī)劃：首先，設定機械手的起點為A（400，0，-300），關節(jié)角度為 q1=（0，0，0，0，0，0）進行直線插補運動，移動到點B（-211.414，465.130，39.17），關節(jié)角度為q2（2，1，0.5，0.02，0.01）；其次，進行直線插補程序編寫，所用函數(shù)為ctraj，建立相應直角坐標系，進行直線插補仿真運動，當仿真時間從間隔15s變?yōu)?.05s后，機械手開始移動。

4 六自由度軌跡規(guī)劃的對比分析

六自由度工業(yè)機械手中有一種自動電焊機設備，通過移動自由度的方式進行焊接工作，完后再進行其他點的操作，如果焊點的位置已經(jīng)確定，但是順序不確定，機械手軌跡規(guī)劃就要重新選擇最短路徑，將所有要焊接的點通過最短路徑進行連接[4]。接下來利用智能優(yōu)化算法對軌跡規(guī)劃進行實驗，不用智能算法之間存在一定差異，具體實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 運動所得實驗數(shù)據(jù)

對比表1中的三種智能算法，可以得出蟻群算法的精度最好，模擬退火算法優(yōu)解概率最高，而禁忌搜索算法在各方面都不太完善。總之，通過不同智能算法對機械手軌跡規(guī)劃以及仿真運動進行分析，能夠選取出更加穩(wěn)定的設計方案，對工業(yè)實踐具有重要意義。

5 結語

本文主要采用了Proe對六自由度機械手進行設計，對機械手進行仿真分析，以便能夠清晰地觀察執(zhí)行器在最尾端的運動狀態(tài)，并且根據(jù)各部件移動及速度的變化情況，判斷機械手設計是否合理。在關節(jié)坐標系中對機械手進行運動軌跡的規(guī)劃，不管是直角坐標系還是關節(jié)坐標系，其軌跡規(guī)劃在插補的過程中都對機械手尾端沒有影響，運動軌跡平穩(wěn)，速度變化十分連貫，沒有任何跳躍情況，滿足機械手軌跡規(guī)劃設計要求。