工业机器人的机械手运动学建模分析.pdf

Applications创新应用366 集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月个减速器和电动机，以此来提高机械手的大力矩，以此满足工业机器人的力矩需求2。（2）每个关节之间的连接主要用弹簧圈、轴承以及转轴等三个零件组成，这样一来能够在满足一定精度的情况下，有效降低设备的力矩与惯性力所带来的振动，从而保证工业机器人平稳的运动。2 工业机器人的机械手运动学建模 2.1 机械手D-H坐标系建立结合图1中的三维模型图，利用D-H（Denavit-Hartenberg）参数法3，可以绘制出工业机器人的机械手运动模型和坐标系示意图（见图2）。同时，因为此机械手为四自由度工业机器人，并且机械手的每个关节变量的旋转角初始值14分别对应了0、35、-60以及25，其余的参数则代表常量。所以，利用机械手的连杆坐标系简图，能够实现机械手的D-H参数表建立，具体0 引言现代化自动生产设备当中，工业机械手是应用相对广泛的机械装置。它不仅能够被广泛地应用在不同类型的自动化生产线上，还能够替代人工在危险的工作环境下进行作业。同时，工业机械手具备高耦合性、复杂性，想要进一步让机械手执行机构完成预定的运动轨迹与作业，就需要加强对机械手在空间的位置以及姿态展开研究分析1。1 研究背景工业机器人的机械手的特点。（1）工业机器人的机械手主要由5个部分组成：底座、大臂、小臂、腰部以及末端执行设备等。如图1四自由度机械手，它拥有4个自由度，也就是旋转关节。并且，每一个自由度上都配备了一基金项目：河北工业职业技术大学市厅级预研课题（sy202313）。作者简介：闫超，河北工业职业技术大学，讲师，硕士；研究方向：数学教学及数学建模。收稿日期：2023-04-17；修回日期：2023-09-22。摘要：阐述一种四自由度的工业机器人机械手的运动特点，探讨工业机械手的各个机构参数，利用D-H参数法实现机械手连杆坐标系建设和机械手数学模型，借助Matlab仿真软件实现机械手建模。关键词：工业机器人，机械手建模，机构参数。中图分类号：TP242 文章编号：1674-2583(2023)10-0366-02DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.10.167文献引用格式：闫超.工业机器人的机械手运动学建模分析J.集成电路应用,2023,40(10):366-367.工业机器人的机械手运动学建模分析闫超（河北工业职业技术大学，河北 050091）Abstract This paper expounds the motion characteristics of a four degree of freedom industrial robot manipulator,explores the various mechanism parameters of the industrial robot manipulator,uses the D-H parameter method to construct the coordinate system of the manipulator link and the mathematical model of the manipulator,and uses Matlab simulation software to achieve the modeling of the manipulator.Index Terms industrial robots,robotic arm modeling,mechanism parameters.Analysis of Kinematic Modeling of Industrial Robots Robotic ArmsYAN Chao(Hebei University of Technology,Hebei 050091,China.)图1 四自由度工业机械手的整体机构设计图2 工业机械手的D-H坐标系Applications 创新应用集成电路应用 第 40 卷 第 10 期（总第 361 期）2023 年 10 月 367见表1所示。所以，利用前三个机械手的关节变量就能够直接决定工业机器人的机械手最后位姿。此外，可以通过将工业机械手的每个关节简化成对应的杆件，再结合Link函数，直接建立机械手的模型。而该函数为式（1）。（1）式中，机械手的关节名称由L来表示；连杆长度、连杆偏距、连杆扭角以及关节转角分别对应A、B、；关节类型由来表示。2.2 机械手的正运动学分析及仿真通过接着代入数值的方法能够实现对工业机械手的正运动学方程进行检验，不过在检验的过程当中还需要对矩阵的计算复杂性进行充分的考虑，从而证明机械手的正运动学方程的正确性。根据Robotics Toolbox中，实现机械手正向运动学仿真的函数为fkine函数，并且此函数能够实现已知机械手关节变量的输入，并计算得出相对应的位姿。具体调用的格式，如式（2）。（2）式中，qz主要代表了某个状态下工业机器人的关节变量矩阵；工业机器人的名称主要由Robot表示。工业机器人的正向运动学的解由TR来表示，并且它主要对应了qz的各个关节变量时的末端位姿矩阵。2.3 机械手的逆运动学分析及仿真工业机器人的逆向运动学问题研究和机器人的正向运动学正好相反，主要是利用给定的工业机器人的机械手末端手爪位姿，实现对机械手的每一个关节的变量进行确认，以此实现了对工业机器人的运动控制。简单来说，在实际应用过程当中工业机器人的机械手逆向运动学存在较多的问题，不过因为机械手的逆运动学的解存在不确定性，所以导致其问题变得十分复杂。所以，机械手的逆运动学和正运动学所存在的问题一样，可以利用Robotics Toolbos工具箱，实现对工业机器人的机械手逆运动学方程的正确性进行判断和确认。同时，末端执行器的位姿为已知的条件，而机械手运动学的反解作为工业机器人运动轨迹控制以及运动规划的基础，因此只有将机械手的运动学的反解将空间位姿转化成关节变量，这样一来就可以实现对工业机器人的末端执行器进行运动轨迹编程控制4。通过利用工具箱当中的ikine函数可以实现对工业机器人的逆运动学问题进行仿真分析。并且，通过此函数输入末端位姿矩阵，从而得出对相应关节变量的解。不过，值得注意的是，工业机器人的机械手逆向运动学的问题解决并不唯一性的，所以最后求得机械手逆向运动学的解，与之前的解存在不同。接着，根据函数的调用式（3）。（3）机械手的末端位置矩阵、工业机器人的名称以及末端位姿矩阵的关节变量值T和初始猜测点等分别对应T、Robot、Q和Q等来表示。因此，当工业机器人的自由度数量不超过6时，这时可以采用M来忽略机器人的某个关节自由度；不过，由于本文所选取的研究对象为四自由度工业机器人的机械手，所以M=1,1,1,1,0,0。此外，当以危险工况为背景时，求工业机器人的仿真逆运动学解时，结合矩阵和Matlab可以借助式（4）求得工业机器人的机械手逆向运动学解。（4）由于在工业机器人的机械手逆向运动学求解的张当中和初始的猜测点两者之间存在一定的关系，所以可以选择对猜测点进行不断改变的方式，求得机械手的所有逆运动学的解。由于针对工业机器人的机械手的正运动学方程、逆运动学方程的计算，都是利用人工代数法的方式，一步一步地实现对机械手的最后位姿矩阵或者机械手的关节变量进行计算。而工具箱则是利用对工具箱内部函数进行调用，实现对工业机器人的机械手运动学建模和仿真分析求解，所以当人工求解得到的结果和仿真求解的结果两者相等时，就充分验证了其准确性5。3 结语本文主要对四个自由度机器人的机械手运动学展开了建模分析。并利用D-H参数法实现了机械手数学模型建立，得到了其运动学模型。接着利用MATLAB实现对机械手模型的运动仿真分析，从而为工业机器人的运动学分析与运动控制奠定了坚实的基础。参考文献1 雷利霞,马小荣,温晓荣.数控机床机械手柔性定位控制方法研究J.机械与电子,2022,40(10):45-48+53.2 许润昊.耦合多指节机械手的设计与分析D.广西:广西大学,2022.3 王吉平,刘鑫,江琴.物料搬运机械手机构运动学分析及仿真J.内燃机与配件,2022(07):62-64.4 吉阳珍.6R工业机器人运动学及动力学关键问题研究D.四川:四川大学,2021.5 刘涛,张奇峰,张运修等.水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析J.液压与气动,2021,45(05):25-32.表1 四自由度工业机械手的D-H参数