摘要：機(jī)械手是物流與倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)等常用的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備，能夠依照設(shè)定的程序自主完成貨物從一個(gè)地方搬運(yùn)到另一個(gè)地方，具有效率高、精確度高等優(yōu)點(diǎn)。四自由度機(jī)械手工作過(guò)程中對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)的位置狀態(tài)控制難度較大，為此，對(duì)四自由度機(jī)械手D-H進(jìn)行模型建立，通過(guò)MATLAB計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件建立機(jī)械手模型，采用關(guān)節(jié)空間以及笛卡爾空間的規(guī)劃兩種方式驗(yàn)證機(jī)械手末端軌跡滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：四自由度;機(jī)械手;模型;仿真

0? 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，物流與倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)、電子行業(yè)以及輕工行業(yè)等不斷發(fā)展，而碼垛技術(shù)作為一種現(xiàn)代化技術(shù)，在工作方式和思維上進(jìn)行了創(chuàng)新，在這些行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。現(xiàn)階段，許多專家與學(xué)者針對(duì)碼垛機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究工作，主要集中在碼垛機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程的平穩(wěn)性與效率性，采用設(shè)定的速度進(jìn)行搬卸貨物，不會(huì)出現(xiàn)較大的速度波動(dòng)，確保搬卸的貨物都能夠安全的抵達(dá)制定的地點(diǎn)，在遇見(jiàn)障礙物時(shí)還要能夠自行躲避，所以必須要認(rèn)真分析和研究機(jī)器人的運(yùn)行軌跡，得到科學(xué)、合理的設(shè)置與規(guī)劃[1]。然而，機(jī)器人所牽涉的領(lǐng)域非常廣泛，比如說(shuō)控制學(xué)知識(shí)、機(jī)械知識(shí)以及電氣知識(shí)等，綜合難度較大，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡建模與仿真非常重要。MATLAB是常用的計(jì)算機(jī)仿真模擬軟件，通過(guò)自帶的Robotics Toolbox插件能夠復(fù)雜完成機(jī)械手的控制、軌跡規(guī)劃等設(shè)定，也可以對(duì)機(jī)械手進(jìn)行建模并模擬，為工業(yè)機(jī)器人的不斷創(chuàng)新發(fā)展起到了較好的推動(dòng)作用。

1? 四自由度機(jī)械手D-H模型建立

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡主要由多個(gè)剛體通過(guò)關(guān)節(jié)相互連接形成的一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)鏈，一般情況下將這些剛體叫做連桿[2]。連桿的主要職責(zé)是確保連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠以特定的關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。任何一個(gè)連桿的運(yùn)動(dòng)都受到兩個(gè)參數(shù)的約束，分別為公共法線距離αi-1以及和αi-1所在面成90°夾角的兩軸線角度αi;對(duì)于每個(gè)連桿兩端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，主要受到以下兩個(gè)數(shù)值的影響，分別是相鄰桿的相對(duì)位置di以及相鄰桿之間的法向夾角θi[3]。利用D-H模型對(duì)機(jī)器人的各個(gè)連桿以及節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行模型建立，同時(shí)針對(duì)每一個(gè)連桿創(chuàng)建相應(yīng)的坐標(biāo)系，通過(guò)齊次變換的方法來(lái)準(zhǔn)確、形象的表現(xiàn)各個(gè)坐標(biāo)系的相對(duì)位置與情形。

如圖1所示為某個(gè)四自由度機(jī)械手各個(gè)連桿的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系模型示意圖，表1為相應(yīng)連桿的D-H參數(shù)。

2? 基于MATLAB軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過(guò)建立機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，可以很形象的查看到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，也有助于設(shè)計(jì)人員準(zhǔn)確觀察各個(gè)連桿關(guān)節(jié)位置的方位、速度以及加速度等，有利于加強(qiáng)對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況的管控。

2.1 機(jī)械手模型建立

通過(guò)MATLAB三維仿真模擬軟件，利用其自身包含的Robotics Toolbox插件功能，以link（）以及robot（）函數(shù)為基礎(chǔ)創(chuàng)建機(jī)械手模型，根據(jù)表1中各個(gè)連桿關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手模型建立的指令為[4]：

2.2 軌跡規(guī)劃與模擬

機(jī)械手軌跡規(guī)劃方式通常分為兩種形式，分別是關(guān)節(jié)空間以及笛卡爾空間的規(guī)劃，這兩種空間規(guī)劃方式都有著自身的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，在進(jìn)行機(jī)械手軌跡規(guī)劃時(shí)必須要深入分析這兩種空間規(guī)劃方式[5]。關(guān)節(jié)空間規(guī)劃的操作方式比較簡(jiǎn)便，計(jì)算復(fù)雜度較低，并且不會(huì)產(chǎn)生奇異位形的現(xiàn)象，然而這種規(guī)劃方式不能夠清晰的顯示出機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致末端關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)軌跡較為模糊;笛卡爾空間規(guī)劃方式運(yùn)算量較大，對(duì)計(jì)算人員的要求也較高，同時(shí)有較大概率出現(xiàn)奇異位形的現(xiàn)象，然而這種規(guī)劃方式能夠得到精準(zhǔn)的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡，可以將運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)清晰的顯示出來(lái)[6]。比如說(shuō)在使用關(guān)節(jié)空間規(guī)劃方式時(shí)，設(shè)定機(jī)械手完成一個(gè)動(dòng)作的周期為4s，相鄰采樣時(shí)間為73ms，基礎(chǔ)關(guān)節(jié)值為qz=[0 0 0 0];結(jié)束關(guān)節(jié)值為qr=[pi/2 pi/3 pi/4 pi];通過(guò)這些參數(shù)的設(shè)定，將其帶入到MATLAB計(jì)算機(jī)仿真軟件中，通過(guò)指令q=jtraj（qz，qr，t）獲得每處關(guān)節(jié)的位置、速度以及加速度實(shí)時(shí)曲線圖。

通過(guò)關(guān)節(jié)空間規(guī)劃以及笛卡爾空間規(guī)劃兩種方式進(jìn)行機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡模擬，從實(shí)際的模擬結(jié)果來(lái)看，四自由度機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)位置能夠正常運(yùn)行，同時(shí)機(jī)械手末端的運(yùn)動(dòng)軌跡與設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求，能夠按照既定的路徑進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

3? 結(jié)語(yǔ)

機(jī)械手是我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的重要研究方向，機(jī)械手能夠替代工人完成各種高負(fù)荷的工作，提高生產(chǎn)線的工作效率與準(zhǔn)確性。利用MATLAB軟件加強(qiáng)機(jī)械手的模型建立與仿真模擬，能夠精確的查看到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，為機(jī)械手的進(jìn)一步發(fā)展提供幫助。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王登貴，楊艷.四自由度氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)研究與仿真[J].液壓與氣動(dòng)，2014（09）：29-31，57.

[3]袁文康，同志學(xué).基于MATLAB的四自由度液壓機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃研究[J].礦山機(jī)械，2014，42（04）：110-113.

[4]于復(fù)生，段登家，杜桂林，李濤.基于S7-200 PLC的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2013（08）：89-91.

[5]王燕，張果，葛運(yùn)旺.四自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械手軌跡規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013（07）：27-31.

[6]張立陽(yáng)，崔建昆，朱心平，梁冰冰.基于VB和單片機(jī)的四自由度串聯(lián)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃及控制系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011，33（19）：6-8.

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作者簡(jiǎn)介：崔娜（1978-），女，遼寧昌圖人，碩士學(xué)位，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。