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        四自由度機(jī)械臂的軌跡仿真研究

        2022-06-05 11:11:56丁子涵徐顧自
        內(nèi)燃機(jī)與配件 2022年10期
        關(guān)鍵詞:機(jī)械

        在工業(yè)4.0背景下,智能制造技術(shù)發(fā)展迅速,機(jī)械臂作為智能工廠的典型裝備廣泛應(yīng)用于裝配、焊接、噴涂和搬運等復(fù)雜生產(chǎn)過程中,貫穿工業(yè)自動化智能化生產(chǎn)的全過程

        。機(jī)器人技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為集機(jī)械制造、自動化工程、人工智能、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等集于一體的學(xué)科。

        本文基于ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真。首先建立笛卡爾坐標(biāo)系,在MATLAB中對四軸機(jī)械臂做出軌跡規(guī)劃并將樣條曲線導(dǎo)入ADAMS軟件中,得到的軌跡運動與MATLAB中一致,表明機(jī)械臂在ADAMS中可以很好地復(fù)制運動軌跡。

        隨著人類社會不斷發(fā)展,化石能源的消耗不斷增加,能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題越發(fā)嚴(yán)重。近年來,隨著潮汐能、太陽能等可再生能源的不斷發(fā)展,作為影響其發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),儲能系統(tǒng)越來越受到人們的關(guān)注。其中,二次電池以其效率高、使用方便等優(yōu)點成為最具潛力的儲能方式。已經(jīng)趨于商業(yè)化的二次電池有鉛酸電池、鋰電池、鈉電池等,鋰電池因能量密度高、自放電小、安全無污染等優(yōu)勢已經(jīng)在通信電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用。然而大規(guī)模工業(yè)儲能需要儲能器件滿足2個基本要求:一是安全性高,沒有安全就沒有儲能的未來;二是成本低,任何技術(shù)的發(fā)展必須考慮成本問題。

        1 建立機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型

        本文所研究的機(jī)械臂是由4個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的,即4自由度。首先在NX 12.0中建立并裝配機(jī)械臂的三維模型。建立好模型后使用標(biāo)準(zhǔn)D-H參數(shù)法建立連桿坐標(biāo)系,D-H參數(shù)由Denavit和Hartenberg發(fā)明,是一種常用的描述機(jī)器人相鄰兩個連桿之間參數(shù)關(guān)系的方法

        。

        表1中,?

        -1

        為連桿轉(zhuǎn)角,是繞

        軸由

        -1

        轉(zhuǎn)向

        的角度;

        -1

        為機(jī)器人的連桿長度,是繞

        軸由

        -1

        的距離;

        為關(guān)節(jié)角繞

        -1

        軸由

        -1

        的角度;

        為連桿偏距,是繞

        -1

        -1

        的距離。

        打開MATLAB中Robotics Toolbox工具箱建立機(jī)械手臂模型,定義機(jī)械臂名為“Scara”,定義初始角度四個關(guān)節(jié)的角度依次為 [0 0 -π/2 π/2];用LINK函數(shù)進(jìn)行編程,建立連桿對象,編程語句如下:

        L(1)=Link([0 d1 a1 alpha1]);

        L(2)=Link([0 d2 a2 alpha2]);

        機(jī)械手臂關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃所研究的問題是,機(jī)械手臂末端在工作時,如何從起點出發(fā),途徑中間的插值點,最后到達(dá)終點

        。合理的軌跡規(guī)劃是機(jī)械臂運動過程穩(wěn)定的重要保證,可以減少運動過程中的沖擊與振動,保證機(jī)械臂運動的效率。機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間運動軌跡規(guī)劃方法有很多,常見的規(guī)劃方法有多項式插值、貝塞爾曲線、線性迭代法等,其中多項式插值最常用的有三次多項式插值及五次多項式插值

        。

        L(4)=Link([0 d4 a4 alpha4]);

        第二,電子巡檢。電子巡檢實現(xiàn)的背景為信息技術(shù)、遙測遙控技術(shù)等的不斷發(fā)展。在電子巡檢環(huán)節(jié)中,相關(guān)巡檢人員要結(jié)合基于遙測遙控技術(shù)的系統(tǒng)平臺,完成對航標(biāo)狀態(tài)的遠(yuǎn)程管理與監(jiān)控。在這種巡檢方式下,相關(guān)巡檢人員不需要實際進(jìn)入相應(yīng)的海域進(jìn)行作業(yè),利用系統(tǒng)平臺以及計算機(jī)就能夠完成對相應(yīng)海域中航標(biāo)的燈質(zhì)、電流電壓、位置等信息數(shù)據(jù)的監(jiān)測。在發(fā)現(xiàn)異常情況時,能夠第一時間的進(jìn)行通報,提升航標(biāo)巡檢工作的效率,也降低了航標(biāo)巡檢工作的危險性。

        Scara=SerialLink(L,'name','Scara');

        這樣就可以得到4軸機(jī)械臂模型。

        2 正逆解與工作空間分析

        2.1 機(jī)械臂運動的正逆解

        (1)

        對機(jī)械臂進(jìn)行運動仿真首先要對運動學(xué)分析,運動學(xué)分析是軌跡規(guī)劃的前提,可以更好地控制機(jī)械臂的運動。對機(jī)械臂進(jìn)行仿真前,需要推導(dǎo)出機(jī)器人的正逆運動學(xué)公式。正運動學(xué)利用各個轉(zhuǎn)角的關(guān)系,求出機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿。利用表1中D-H參數(shù),以關(guān)節(jié)角度作為自變量,建立機(jī)械臂的正運動模型。機(jī)械臂相鄰連桿件的變化矩陣為:

        將上述四個矩陣相乘得到:

        (2)

        符合機(jī)械臂的實際位姿。

        在我國現(xiàn)行經(jīng)濟(jì)體制下,建筑業(yè)的比重越來越大,建筑工程規(guī)模也越來越大。因此,為了保證建筑業(yè)的正常發(fā)展,我們必須做好項目成本的動態(tài)管理和控制。工程造價管理是整個工程建設(shè)過程中的核心環(huán)節(jié),對整個工程有著重要的影響。無論是決策、設(shè)計、施工還是竣工,都非常容易受到項目成本管理的影響。因此,為了避免不必要的資金浪費,控制整個工程建設(shè)的成本,處理工程造價管理工作,是建筑業(yè)發(fā)展的必由之路。

        逆運動學(xué)是在一定轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),通過末端位姿矩陣解出各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角,逆運動學(xué)一般用于求解機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃,方程組的解是否存在取決于機(jī)械臂的工作空間。對于四軸機(jī)械臂來說,工作空間有限,不能達(dá)到三維空間內(nèi)的所有位姿,所以部分位姿會出現(xiàn)無解的情況。

        2.2 工作空間分析

        機(jī)械臂的工作能力可以通過工作空間的分析來確定,在實際分析過程中,機(jī)械臂的末端在空間范圍內(nèi)所有的點的集合即是機(jī)械臂的運動空間

        干巴爹:是日語“がんばって(頑張って)”的諧音。羅馬音:ganbatte中文近似讀音:gan ba te,所以中文音譯名是“干巴爹”。表示“加油、努力”的意思,常用于比較親密的人之間加油打氣鼓勵。

        蒙特卡羅法是一種數(shù)值方法,常借助于隨機(jī)抽樣來解決數(shù)學(xué)問題,使用廣泛。進(jìn)行工作間計算可節(jié)省大量時間,例如隨機(jī)生成30000個點只需要2到3分鐘,該方法可以對各種類型的機(jī)械臂進(jìn)行工作空間的分析。本文取N=3000對工作空間計算,該機(jī)械臂在X,Y,Z三個方向取值見下圖1,圖2,機(jī)械臂的運動空間見下圖3。

        3 機(jī)械手臂軌跡規(guī)劃

        L(3)=Link([0 d3 a3 alpha3]);

        3.1 五次多項式插值

        三次插值多項式在處理已確定的起始點和目標(biāo)點的位姿、機(jī)械臂運動過程中速度與加速度的變化時往往無法滿足要求,這時需采用五次多項式插值進(jìn)行軌跡規(guī)劃。要使機(jī)械臂末端執(zhí)行器由初始位姿變化到目標(biāo)位姿,需要求出各個關(guān)節(jié)角隨時間的變化函數(shù)。

        設(shè)關(guān)節(jié)的運動軌跡函數(shù)為:

        HDPE管材運至施工現(xiàn)場后,管材卸車時,地面不應(yīng)有石塊等尖凸物并用廢舊汽車輪胎鋪墊,而后將管材逐根卸下,防止管材卸車時受傷。管材熱熔焊接前應(yīng)仔細(xì)檢查待連接管材及管件,對嚴(yán)重劃傷管材堅決不能使用,防止管道受壓破損及以后使用中蠕變破壞。

        =

        +

        +

        +

        +

        +

        (3)

        時刻為初始位姿,

        時刻為設(shè)定的目標(biāo)位姿,設(shè)

        時刻轉(zhuǎn)角為

        時刻轉(zhuǎn)角為

        。

        含柔直系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流優(yōu)化控制以交流系統(tǒng)滿足式(1)~(5)的各節(jié)點正常功率平衡及各種安全性不等式約束條件、柔直系統(tǒng)滿足式(6)~(13)的工程運行約束條件的前提下,使系統(tǒng)網(wǎng)損最小。

        帶入約束函數(shù)方程為:

        網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使得高中物理教學(xué)具有更多的可能。教師需要增加對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的了解,依據(jù)自身的教學(xué)目標(biāo),與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合開展多樣化的教學(xué)活動,提升學(xué)生對于物理學(xué)習(xí)興趣,增強(qiáng)其專注度提升學(xué)習(xí)效率的同時,培養(yǎng)綜合能力,實現(xiàn)較好師生關(guān)系的構(gòu)建。

        (4)

        上述方程組的解為:

        建立和完善實驗室的各項檔案,使其規(guī)范化和科學(xué)化,正確、全面反應(yīng)實驗室建設(shè)的歷史,是非常必要和有意義的,但要維持完整的檔案是非常困難的,而確認(rèn)管理體系是否正常、有效和持續(xù)的運行,最終的考核都體現(xiàn)在檔案(證據(jù)) 中。因此可以認(rèn)定“實驗室管理體系的建立”必須完善檔案的完整[2]。

        (5)

        3.2 軌跡仿真

        設(shè)每個關(guān)節(jié)初始運動速度,加速度均為0,利用JTRAT函數(shù)實現(xiàn)軌跡仿真,使其從初始位置 [0 0 π/2 -π/2]運動到[π/2 π -π/6 π/3],步長為40,每步1s,利用PLOT函數(shù)繪制出機(jī)械臂末位姿,利用SUBPLOT函數(shù)繪制出四個關(guān)節(jié)在不同時間下的位置,速度與加速度的變化曲線圖,如圖4所示。

        植物基質(zhì)沙墊是江蘇綠東坡環(huán)境工程有限公司生產(chǎn)的一種采用高密度、耐用、防腐蝕特殊性聚酯纖維和特殊工藝編織成的雙層或多層編織物,現(xiàn)場鋪設(shè)在受保護(hù)的坡面上,按順序注入各種混合基質(zhì),使坡面受到保護(hù),并可迅速恢復(fù)原有植被,達(dá)到自然狀態(tài)。植物基質(zhì)沙墊無骨料,無鋼筋,水上水下整體施工,無需圍堰和船舶拖排,施工簡易,安全可靠,整體性強(qiáng),防護(hù)性好,抗沖刷(5~6m/s),抗水壓(30t/m2)、防淘蝕,適用性強(qiáng),生態(tài)美觀。植物基質(zhì)沙墊根據(jù)各種工況要求,可設(shè)計成反濾型、無濾型、植草型、抗浪型等多種類型,可廣泛應(yīng)用于堤岸防護(hù)、水資源保護(hù)和水土保持工程中。

        觀察得到圖中位移曲線平穩(wěn)、光滑,證明運動過程中沒有沖擊與振動等運動特性,說明機(jī)械臂運動的穩(wěn)定性和可靠性。

        4 基于ADAMS的仿真結(jié)果

        4.1 建立ADAMS模型

        ADAMS可以對三維模型運動學(xué)和動力學(xué)性能進(jìn)行很好的分析與仿真,但在ADAMS界面中建模相對困難,無法構(gòu)建出比較復(fù)雜的幾何模型

        。但ADAMS中自帶對外界建模軟件的借口,可以將建好的三維模型通過ADAMS-VIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,然后對所建模型添加屬性、運動副、運動載荷等

        將NX中四自由度機(jī)械臂的模型另存為Parasolid格式的.x_t文件,將文件導(dǎo)入ADAMS中,保存為.bin格式;添加全局重力為200N,方向向下,設(shè)置每個關(guān)節(jié)的材料為carbon_fiber_11_prepreg,機(jī)械臂關(guān)節(jié)4工作載荷為10N;設(shè)置工作格柵,依次添加固定副,轉(zhuǎn)動副。

        4.2 添加驅(qū)動并進(jìn)行仿真

        機(jī)械臂有4個轉(zhuǎn)動副,因此需要添加4個驅(qū)動。將MATLAB中得到的各個關(guān)節(jié)速度導(dǎo)出形成以時間為自變量的矩陣,導(dǎo)出成.txt文件,將文檔中的矩陣導(dǎo)入ADAMS,形成的SPLINE曲線再添加到AKISPL函數(shù)的編程表達(dá)式中形成驅(qū)動。例如:motion1的仿真語句如下:AKISPL(time,0 ,SPLINE_1,0)。

        設(shè)置機(jī)械臂運動的仿真時間為40s,每步為1s,進(jìn)行動力學(xué)仿真。得到的運動軌跡與最終位姿與Matlab基本一致。

        仿真成功后點擊后處理模塊POSTPROCESSOR,可以得到各個關(guān)節(jié)在X,Y,Z方向上的力矩隨時間變化曲線,從而得到各個驅(qū)動峰值力矩,此峰值力矩可以作為后期機(jī)械臂的優(yōu)化條件。各個關(guān)節(jié)X,Y,Z方向所需力矩如圖5,6所示。

        點擊后處理中繪圖跟蹤,可以得到motion2所需力矩最大,峰值力矩值為166.98N·m;motion1所需力矩的峰值為0.48N·m;motion3峰值力矩87.75N·m,motion4峰值力矩-12.74N·m。

        5 結(jié)論

        本文首先調(diào)用Robotics Toolbox工具箱建立D-H坐標(biāo)系;利用蒙特卡洛法研究分析機(jī)械臂的工作空間,進(jìn)一步達(dá)到了獲取了機(jī)械臂運動范圍的目的。然后再使用五次插值多項式對機(jī)械臂的軌跡進(jìn)行規(guī)劃,得到的角速度曲線呈現(xiàn)出較為平滑的特點,從而使其可以平穩(wěn)到達(dá)設(shè)計好的任務(wù)目標(biāo)點。最后進(jìn)一步通過ADAMS進(jìn)行仿真,根據(jù)在后處理中繪制出的每個關(guān)節(jié)運動的力矩曲線能夠獲取運動所需求的最大力矩,并將此作為機(jī)械臂運動的邊界條件,為機(jī)械臂后期的優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)步提供依據(jù)。

        [1]伍龍華,黃惠.點云驅(qū)動的計算機(jī)圖形學(xué)綜述[J].計算機(jī)輔助設(shè)計與圖形學(xué)報2015,27(8):1341-1353.

        [2]蘇融. 六自由度機(jī)械臂的工作空間分析和運動學(xué)仿真[C]//第十八屆沈陽科學(xué)學(xué)術(shù)年會論文集.[出版者不詳],2021:648-653.DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.009941.

        [3]李憲華,孫青,范凱杰,張雷剛.雙臂6R服務(wù)機(jī)器人的協(xié)作空間分析與仿真[J].機(jī)械傳動,2018,42(09):130-134.DOI:10.16578/j.issn.1004.2539.2018.09.025.

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