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上下料工业机器人结构设计及仿真研究

2020-12-05 来源:钮旅网
机械设计与制造 第3期 162 Machinery Design&Manufacture 2013年3月 上下料工业机器人结 构设计及仿真研究 黄晨华,毛桂生 (韶关学院物理与机电工程学院,广东韶关512005) 摘要:用价格较低、结构简单的工业机器人代替人的部分工作,成为中小企业产业升级换代的常用方式,根据工作要 求,设计合适的机器人在实际中具有较大的实用价值。为了设计合适的机器人,深入研究了上下料工业机器人的手腕型 式和关节配置的设计方法,并依据机器人的工作区域,确定了机器人的结构,给出了机器人的DH参数及各关节的转角 范围。最后用机器人仿真工具箱对机器人的结构、轨迹规划的可行性及满足工作要求的可能性进行了仿真,证明了机器 人结构设计的正确。 关键词:工业机器人;结构设计;关节配置 中图分类号:TH16;TP242.2 文献标识码:A 文章编号:1001—3997(2013)03—0162—03 Structural Design and Simulation Research of Loading and Unloading Robot HUANG Chen-hua,MAO Gui-sheng (School ofPhysic and Mechatronic Engineering,Shaoguan University,Guangdong Shaoguan 5120051China) Abstract:Part ofjob done by low price,simple structure industroil robot has become a usud upgrading method to some small .or medium-size enterprises.and it is useful in the practice to design。suitable robot according to work requirements.The emthod ofdesigningloading and unloading robot wrsit type andjoint conifguration were studied deepty,and based on the 加 area of the robot.the structure and DH parameters and the joint angles ranges ofthe robot were determined.The structure of the robot,and the feasibility fojoint trajectory plnaning,and the possibility tO meet teh job requirements were simulated with robot simultaion toolbox,and it proved that the desing Was efective. Key Words:Industrial Robot;Structural Design;Joints Configuration 1引言 取工件,分析机器人工作要求可以得知,毛坯在搬运过程中姿态 通用工业机器人一般有6个自由度,从而使末端操作器可 并无特殊要求,故其手腕可不需要活动关节,考虑到工件有时为 以在空间得到任意的位置和姿态,然而在大多数情况下,对于一 非对称结构,为便于夹紧,可在手腕上设计一个使工件绕其轴线 特定的工作,人们往往并不需要末端操作器实现任意和姿态,这 旋转的关节。故手腕的旋转数 =0,Wy=0, l。 时就需要设计专用机器人,以减小工业机器人的自由度,从而降 低机器人的成本和使机器人的控制变得更为简单和容易。在机器 人的研究中,对通用工业机器人的研究很多,且大都专注于机器 人控制,而对于专用机器人的结构研究则较少,系统介绍了专用 机器人结构设计过程,并设计了一种结构简单、价格低廉的工业 机器人,并用仿真的方法验证了设计的可行性。 2机器人工作要求 某气液增压缸生产企业利用加工中心加工气液增压缸端盖 等零件,为节省人力,希望用机械手代替人工的上下料,机器人从 毛坯存放处抓起毛坯,放于加工中心工作台,加工中心上的自动 夹具夹紧,开始加工,加工完毕后,机器人从工作台上取出零件, 并放于零件存放处,如图1所示。 图1机器人工作现场和工作空间 3机器人机构的型综合 Fig.1 Robot Workshop and Work Area 3.1机器人手腕型式的确定 3_2机器人手臂关节配置 机器人的手腕可保证机器人末端操作器能以正确的姿态抓 机器人手臂保证机器人末端操作器到达正确的位置,不同 来稿日期:2012-05—26 基金项目:韶关市科技计划项目(韶科(管)[201008]);韶关学院科研项目(韶学院[2010 3207) 作者简介:黄晨华,(1972一),男,副教授,博士,从事工业机器人设计理论与工程应用,机器视觉等方面的研究 第3期 黄晨华等:上下料工业机器人结构设计及仿真研究 163 的关节配置都可能使手腕到达相同的位置,但对末端操作器的姿 行仿真,以验证机器人参数的正确性和可以达到所要求的工作区 态有不同的影响,由于对手腕的姿态没有要求,故采用文献『11中的 域。 4号关节配置方式,其A :0,A :l,A产1,此方式为目前较为主流 5.1结构仿真 的一种配置式。由于对工件在上下料的过程中的转动没有要求, 故工件所需要的旋转数毋=一1,曰 一1,Bz=一1。 利用工具箱的Link函数、Robot函数,构造出了机器人的结 构示意图,验证了机器人参数DH的正确性,如图3所示。 3.3机器人手腕旋转能力校核 要使机器人的手腕旋转满足被夹工件的姿态要求,则应满 足下式: 2W ≥B+A 2W >-B +A, (1) 2W B卅; 显然,设计满足要求。因此,机器人的机构形式,如图2所 示。此机器人的自由度为4。 4机器人机构的尺寸综合 由机器人的机构形式,建立各关节坐标 ,如图2所示。从 而得到关节的变换矩阵如下 : 图2机器人结构及关节坐标 Fig.2 Robot Structure and Joints Coordinates cOl 0 s I cO2-sO2 0 a2cO2 sOl 0-cO1 sO2 cOz 0Ⅱ2s A1 ;A 2= O 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 cO3 0 sO3 a3cO3 c 一s 0 0 sO3 0一cOa a3sO3 sO4 cO4 0 0 A 3= ;A = 0 1 0 0 0 0 1以 0 0 0 1 0 0 0 l 由机器人的工作空间,如图1所示。可以确定机器人各关节 的转动范围: 0l∈[0。,180。]; 2 E[-750。,90。]; 03∈[-75。,75。];04∈[一180。,180。J 机器人的DH参数值,如表1所示。 表1机器DH参数 Tab.1 Robot DH Parameters 5仿真验证 用Peter I.corke嘟f发的机器人工具箱对所设计的机器人进 76o 图3机器人结构仿真 ’ Fig.3 Robot Sturcture Simulation 5I2轨迹规划仿真 利用工具箱的Transl函数、Ctracj函数、Jtracj函数,在只是 关节1转动,其余关节不动的情况下,机器人进行了轨迹规划的 仿真,如图4所示。 ….{… ’一’l ’ I—●一 坐标变化情况I l=:= 耋 嚣I ll _●’_ 、 ;  , ./ 趔 蠖 。\ 割 / … ---一 i\ l . 6 关节l角度变化值(弧度) 图4机器人轨迹仿真 Fig.4 Robot Trajectory Simulation 5.3关键位置仿真 利用Drivebot函数,对机器人抓取工件毛坯、安放工件毛坯 及放置加工好的零件动件进行了仿真,抓取工件毛坯时机器人位 置仿真,如图5所示。安放工件毛坯及放置加工好零件仿真图由 于篇幅所限略之。 (a)机器人驱动仿真界面 No.3 机械设计与制造 Mar.20t3 Pressure Angle of the Spaitila RSSR Linkage[J]:Mechanism&Machine hTeory,1993,28(4):593-599. t [3]SaeedB.,Niku.机器人学导论一分析、系统及应用(M].北京:电子工业 出版社,2004-6(}-63. i (Saeed B.,Niku.Introduction to Robotics AnalyBiB System ̄,Applieat- ions[M].Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2004:6o一 63.) 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