夏 偉,張 妍

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在工業(yè)4.0背景下，智能制造技術發(fā)展迅速，機械臂作為智能工廠的典型裝備廣泛應用于裝配、焊接、噴涂和搬運等復雜生產過程中，貫穿工業(yè)自動化智能化生產的全過程[1]。通過機械臂仿真可實現生產過程的“虛-實”轉換，為機器人軌跡規(guī)劃和智能控制提供有效驗證。

匡毅[2]等搭建機械臂仿真模型，驗證了自適應模糊PID控制效果較傳統(tǒng)PID算法的優(yōu)越性。文獻[3-5]基于Sim Mechanics工具箱仿真機器人工作過程，其中文獻[3]建立庫卡機械臂模塊化模型仿真末端實時軌跡，實驗證明建模合理實用；文獻[4]通過仿真有效地獲取到機械手的運動參數，根據參數控制機械手執(zhí)行預期軌跡；文獻[5]建立六自由度并聯平臺物理模型，仿真運動軌跡，減免數學模型建立和程序編寫的復雜過程。由此可見仿真分析簡便直觀，可為機構的設計、優(yōu)化與運動控制等提供參考。

劉澤宇等[6]建立機械臂的SolidWorks和ADAMS聯合仿真模型進行動力學分析，得到了各關節(jié)轉速與力矩的關系，為電機的選型提供了依據。陳繼朋等[7]應用ADMAS進行機械臂動力特性分析，根據醫(yī)用機械臂末端質心偏差為后期醫(yī)用機械臂運動控制和位置補償提供依據。姜迪開等[8]基于機械臂的SimulinkADAMS聯合仿真模型，實現機械臂控制系統(tǒng)與機械構型的協同優(yōu)化，提高了機器人的重復定位精度。仿真分析是實現理論研究的成果化驗證，對實現精確軌跡跟蹤控制、誤差補償和系統(tǒng)優(yōu)化有著重要意義。

本文基于SolidWorks和ADMAS軟件建立多功能機械臂的結構模型和仿真模型，在ADMAS中設計拾放軌跡，實現了機械臂在虛擬空間中的任務規(guī)劃。并搭建實驗平臺，基于MOTOMAN機械臂設計拾放實驗，實驗表明實體機械臂在真實場景中能夠準確地復現仿真軌跡，可為后續(xù)機械臂軌跡規(guī)劃及智能控制提供依據。

1 六自由度機械臂模型建立

多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕組成，共有六個自由度，均為旋轉關節(jié)，即1軸為基座回轉運動、2軸為上臂傾動、3軸為下臂傾動、4軸為手臂橫擺、5軸為手腕俯仰、6軸為手腕回轉。多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00結構示意圖如圖1所示，對應的相關參數見表1。

圖1 多功能機械臂結構示意圖

表1 多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關參數

在實體建模上，SolidWorks軟件采用參數化和特征造型技術進行建模，產品的設計可以通過其基本功能方便快捷地創(chuàng)建和修改。本文利用SolidWorks三維軟件來建立六自由度機械臂模型，并且進行了裝配。六自度機械臂模型如圖2所示。采用SolidWorks軟件建立的模型完成后，將其導入ADMAS軟件中，為后續(xù)虛擬樣機仿真建立良好的基礎。

2 基于ADMAS的虛擬樣機模型建立

ADMAS/VIEW集建模與仿真功能于一體，能夠對機械系統(tǒng)進行建模、仿真以及優(yōu)化分析等，其本身帶有大量建模軟件的接口模塊，可以將建好的三維模型通過ADAMS/VIEW的接口模塊導入，然后對所建模型進行屬性設置、約束添加并進行仿真。

2.1 虛擬樣機模型的建立

對于導入的六自由度機械臂SolidWorks模型，重力設置為沿y軸的負方向，即豎直向下；質量單位設置為千克(kg)、力的單位設置為牛頓(N)、長度單位設置為毫米(mm)、時間單位設置為秒(s)、角度單位設置為度(deg)。六自由度機械臂虛擬樣機模型如圖3所示。

圖2 六自度機械臂模型 圖3 六自由度機械臂虛擬樣機模型

2.2 機器人拾取軌跡仿真

對導入的虛擬樣機模型添加約束和驅動后，在ADMAS中可通過設置不同驅動參數實現不同軌跡。根據機械臂關節(jié)參數，通過調用STEP函數可以實現不同電機的工作狀態(tài)，進而完成預設軌跡。本文通過虛擬樣機模擬機器人拾取-放置-回零過程的軌跡狀況。STEP函數的調用格式如下：

STEP (C,C0,Y0,C1,Y1)

其中：C為時間，是自變量；C0為時間的初始值；C1為時間的終止值；Y0為角位移初始值，是因變量；Y1為角位移終止值。

完成拾放軌跡需要對關節(jié)1、關節(jié)2及關節(jié)3電機添加驅動函數。對3個關節(jié)的不同時刻添加驅動函數以實現拾放軌跡，分步運動通過函數中的始末時間進行控制。完成拾放軌跡的電機運行步驟為：關節(jié)2—關節(jié)2和關節(jié)3聯動—關節(jié)1—關節(jié)2、關節(jié)3和關節(jié)1聯動。

在MOTION2下創(chuàng)建驅動對話框，設置驅動函數如下：

STEP(time,0,0,10,-40d)+STEP(time,10,0,15,0d)+STEP(time,15,0,25,-40d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,40d)

可以通過Plot平移驅動對話框展示驅動曲線。同樣，對MOTION1用STEP函數進行設置，可使其在預設時間運動相應速度、時間、位移。STEP函數如下：

STEP(time,25,0,30,0d)+STEP(time,30,0,40,50d)+STEP(time,40,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,-50d)

對MOTION3用STEP函數進行設置，可使其在預設時間運動相應速度、時間、位移。STEP函數如下：

STEP(time,15,0,25,-30d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0d)+STEP(time,45,0,55,30d)

完成電機驅動設置后，點擊simulation進行軌跡仿真。設置結束時間為60 s，步驟為1 000，點擊運行，可實現拾取軌跡。機械臂末端執(zhí)行器在0～60 s內的合位移曲線如圖4所示,X、Y、Z三方向位移曲線如圖5所示。

圖4 機械臂末端執(zhí)行器0～60 s內的位移曲線

圖5 機械臂末端執(zhí)行器X、Y、Z三方向位移曲線

由圖4、圖5可以看出：在0～15 s機械臂末端做Z方向平移運動接近目標物，15 s～25 s機械臂實施抓取物體，25 s～40 s機械臂將物體放置在目標位置，在40 s時末端位移達到最大，40 s～60 s機械臂返回零點；整個拾取-放置-回零過程中機械臂軌跡光滑波動幅度小，拾放過程平穩(wěn)無沖擊。

3 實驗研究

3.1 搭建實驗平臺

搭建的實驗平臺如圖6所示。以多功能機器人MOTOMAN-HP0020D-A00為機器人本體，配備有伺服驅動單元、各類傳感器、計算機控制系統(tǒng)和A/D系統(tǒng)接口等。

圖6 搭建的實驗平臺

3.2 軌跡測試實驗

對多功能機器人MOTOMAN-HP0020D-A00完成一次拾放物體的實驗。通過圖7控制程序界面編寫程序可以完成拾放軌跡實驗。

圖7 機器人控制程序界面

采用多項式插值算法使機器人完成從起始點A抓取工件M放置到終止點B再返回零點的過程。機器人機械臂運行過程關鍵位置如圖8所示。

圖8 機器人機械臂運行過程

4 結語

針對MOTOMAN-HP0020D-A00六自由度機器人，在ADMAS中建立虛擬樣機模型，通過電機驅動函數STEP設置物體拾放軌跡，實現了機械臂在虛擬空間中的任務規(guī)劃。仿真結果表明軌跡連續(xù)平滑，無沖擊。最后，在真實工作場景中搭建實驗平臺，基于MOTOMAN機械臂設計拾取實驗，實驗表明實體機器人在真實場景中能夠準確地復現仿真的拾放軌跡，拾取過程平穩(wěn)有效。本研究實現了“虛-實”空間的轉換，為后續(xù)機器人軌跡規(guī)劃、機器人控制等研究提供了參考。