码垛机器人运动学分析及仿真研究.pdf

第 卷第期年月计算技术与自动化C o m p u t i n gT e c h n o l o g ya n dA u t o m a t i o nV o l ,N o J u n 收稿日期:基金项目:陕西省教育科学资助项目(S GH Y )作者简介:吕栋腾(),男,陕西长安人,硕士,副教授,研究方向:机电系统控制.通信联系人,E m a i l:g r a n t c o m文章编号:()D O I:/j c n k i j s j s y z d h 码垛机器人运动学分析及仿真研究吕栋腾,仝敏(陕西国防工业职业技术学院,陕西 西安 )摘要:针对当前码垛机器人实际运动规划难度较大的问题,以某真实生产线上六自由度码垛机器人为研究对象,采用D H法建立机械臂数学模型,对机械臂的正运动学、逆运动学进行分析,确定码垛机器人的工作空间.使用R o b o tS t u d i o软件对末端机械爪、托盘、物料、传送链等进行建模,完成虚拟场景空间布局,通过编程实现码垛机器人的运动仿真.经综合调试,系统工作稳定、可靠,对现阶段码垛机器人的设计与仿真有一定借鉴意义.关键词:码垛机器人;六自由度;R o b o tS t u d i o;运动仿真中图分类号:T P 文献标识码:AK i n e m a t i c sA n a l y s i sa n dS i m u l a t i o nR e s e a r c ho fP a l l e t i z i n gR o b o tL VD o n g t e n g,T ONG M i n(S h a a n x i I n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,X ia n,S h a a n x i ,C h i n a)A b s t r a c t:I nv i e wo f t h ed i f f i c u l t yo f a c t u a lm o t i o np l a n n i n go fp a l l e t i z i n gr o b o t,t a k i n gt h e D O Fp a l l e t i z i n gr o b o ta st h er e s e a r c ho b j e c t,u s e sD H m e t h o d i su s e dt oe s t a b l i s ht h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h em a n i p u l a t o r,a n a l y z et h ef o r w a r dk i n e m a t i c sa n d i n v e r s ek i n e m a t i c so f t h em a n i p u l a t o r,a n dd e t e r m i n e t h ew o r k s p a c eo f t h ep a l l e t i z i n gr o b o t T h eR o b o tS t u d i os o f t w a r e i su s e dt om o d e l t h ee n dm e c h a n i c a l c l a w,p a l l e t,m a t e r i a l a n dc o n v e y o rc h a i n,c o m p l e t et h es p a t i a l l a y o u to fv i r t u a l s c e n e,a n dp r o g r a mm i n gt or e a l i z e dt h em o t i o ns i m u l a t i o no fp a l l e t i z i n gr o b o t A f t e rd e b u g g i n g,t h es y s t e m w o r k ss t a b l ya n dr e l i a b l y,w h i c hh a sac e r t a i nr e f e r e n c es i g n i f i c a n c e f o r t h es i m u l a t i o nd e s i g no fp a l l e t i z i n gr o b o t a t t h i ss t a g e K e yw o r d s:p a l l e t i z i n gr o b o t;D O F;R o b o tS t u d i o;m o t i o ns i m u l a t i o n工业机器人是一种模仿人手动作,并按设定的程序、轨迹和控制要求配合不同的终端执行器,进行工件抓取、材料搬运、自动喷涂、金属焊接、成品码垛的自动化装置.本设计以某真实生产线上的六自由度码垛机器人为研究对象,采用D H法建立机械臂数学模型,对机械臂的正运动学、逆运动学进行分析,确定码垛机器人的工作空间.使用R o b o tS t u d i o仿真软件对终端执行器、托盘、物料、传送链进行建模,完成了虚拟场景空间布局,通过编程实现码垛机器人的运动仿真.码垛机器人运动学分析在形式多样的码垛机器人中,使用较多的有直角坐标型和关节型两种.其中关节型码垛机器人机身结构紧凑,动作灵活性高且工作移动空间大.本次设计的六自由度码垛机器人采用关节型结构,可看作一个开链式多连杆机构,由个连计算技术与自动化 年月杆和个关节轴组成,始末连杆分别为机器人的基座和末端,相邻连杆之间用关节连接.将码垛机器人基座到末端依次编号为,n,连杆i与连杆i的运动记为关节i,建立连杆坐标系,用ai、i、di、i(i,n)等个变量来描述空间机械臂各连杆间的变化关系.采用D H法建立码垛机器人坐标系如图所示.图码垛机器人D H坐标系根据D H法建立坐标系,先在基座处建立基坐标系,原点为O,关节的坐标系与其重合,依次在关节至处建立O、O、O、O、O坐标系,坐标系O建立在末端执行器中心点处.码垛机器人的D H参数如表所示.其中,ai为关节i与关节i轴线的共垂线的长度,为连杆i的长度;i为关节i和关节i轴线的夹角,为连杆i的扭角;di为关节i轴线上两公法线之间的距离,为关节i的偏置;i为关节i轴线方向上两公法线之间的夹角,为关节i的转角.表机械臂D H参数表连杆aii/()dii/()变量范围 正运动学分析机器人的正运动学是已知连杆长度和关节角度,计算机器人末端执行器的位姿.可依据机器人的连杆和关节的构型配置,用一组特定的方程建立机器人末端执行器的坐标系和参考坐标系的联系.常用的方法为D H表示法,该法为每个关节指定一个本地的参考坐标系,用坐标变换描述各坐标系之间的关系.从坐标系到坐标系之间的 变 换 用T表 示,依 次 类 推,可 得T、T、T、T、T,将这些变换矩阵相乘得到机械臂的运动学方程,即末端执行器的位置.依据D H法可得,连杆坐标系i 与连杆坐标系i 之间的变换矩阵:i iTc is ic is ic ic is is iaic ic is iais is ic idi()根据式()分别计算出T、T、T、T、T、T.Tc s s c dTs c c s ac as Tc s s ac c as Tc s s c dTc s s c Tc s s c d对于n个自由度的机器人,通过D H参数即可得到n个D H矩阵,将所有矩阵按次序连乘可得码垛机器人运动学模型.推导出:TTTTTTTnxoxnyoyaxpxaypynzozazpz()逆运动学分析已知机械臂各关节和连杆参数以及执行机构第 卷第期吕栋腾,等:码垛机器人运动学分析及仿真研究与固定参考坐标系相对位姿的情况下,推导出机械臂连杆之间的夹角i,由正运动学分析可得码垛机器人运动学模型如式()所示,两边同时左乘T,则有T TTTTTT,该式两边为等价矩阵,各个元素对应相等,求解可得.根据上述思路,可依次类推计算出至,完成机械臂的逆运动学求解,六自由度机器人的运动学反解可能存在多解,受机器人结构的限制,可选取一组符合机器人作业要求的满意解.码垛机器人工作空间分析计算机器人全工作空间常见的方法有数值法和蒙特卡洛法,本次设计选用蒙特卡洛法,该方法是从数值法衍生发展而来,主要通过随机选取大量采样点来尽可能构建出机器人完整的工作空间,是一种基于随机概率的算法.由于六轴机器人的每个关节具有机械限位,因而对六个关节转角进行设置以确保机械臂的各个关节在其相应取值范围内工作,依据D H参数表确定各轴的转角取值范围并将其转换为弧度值.设置轴关节随机分布,由于轴不会对工作范围产生影响,可设置为.用关节转角活动范围的最大值减去最小值后与r a n d函数相乘后得到各关节转角对应的步长,进一步得到各个关节的随机变量.其中,随机取样次数N越大,得到的机器人工作空间越准确.在P y t h o nI D L E 集成开发环境下,利用n u m p y中的r a n d(,N)函数,选择随机产生在该角度范围的 个值,分别代入式()中的末端点的位置向量pxpypzT,再利用m a t p l o t l i b中的s c a t t e r函数绘制这些点,作为机械臂的工作空间,如图所示,可知该机械臂可抵达臂长范围内三维空间的任何一个位置.图码垛机器人工作空间图码垛机器人的运动仿真工业机器人的结构精密复杂,造价较高,在运行过程中如果程序设计错误或出现误操作,容易对操作人员和设备产生不利影响.所以在实际使用前通过专门的软件对其进行建模仿真,待运行结果无误后再投入使用,可极大提高工作效率.常用的工业机器人仿真软件有R o b o tM a s t e r、R o b o tA r t、D E LM I A、R o b o tW o r k s、R o b o tS t u d i o等,大多采用图形化编程来调试机器人系统控制机器人运行,优化机器人控制程序.现阶段,虚拟仿真技术已成为工业机器人工作站搭建的发展趋势,本设计采用A B B公司R o b o tS t u d i o软件对码垛机器人进行建模和仿真.码垛机器人整体布局本次仿真设计的码垛机器人以A B B公司软件模型库中的I R B 型为主要建模对象,通过具体设计来完成各项任务,主要实现码垛机器人对物料搬运后码放成固定形状.机器人左边设置三块物料,控制要求为从左边将三块物料搬运到右边并码放成“品”字型.该码垛机器人需完成四个动作,包括腰部的旋转运动,大臂的左右运动,小臂的上下运动和手腕的回转运动.R o b o tS t u d i o仿真软件具备机器人全生命周期支持功能,通过软件创建码垛机器人工作站,自动生成码垛机器人运行路径,避免码垛机器人与周边设备产生碰撞,验证离线程序的准确性.使用软件与真实机器人通信,监控码垛机器人作业,如出现错误动作,可及时调整程序和参数,同时可利用二次开发功能,调试和观察机器人码垛运行状态.图为码垛机器人模型及整体布局.图码垛工作站整体布局图 码垛机器人仿真步骤打开R o b o tS t u d i o仿真软件后,首先我们创建一个 空 的 工 作 站,点 击A B B模 型 库,并 导 入计算技术与自动化 年月I R B 型机器人,如图所示.在模型库中选择机器人底座,依次导入吸盘夹具、输送链、工作台,完成机器人本体及周边设备选取,如图所示.其次点击机器人系统菜单,选择从布局创建系统,从模型库导入物料模型,为机器人加载工作的对象并调整姿态.最后在建模布局过程中,显示机器人工作区域,根据工作区域调整机器人基座的位置,大地坐标起点位于机器人底部,不断调整机器人和周边设备可到达的区域,验证机器人的运动范围和速率等信息,调整效果与前文工作空间分析结果保持一致,如图所示.码垛机器人对于起始和结束的位置和姿态有要求,点位控制满足起点和终点要求即可,轨迹中间只有几何限制、最大速度和加速度限制.为保证运动连续协调,我们选择结合示教的点位路径规划方法,实现其运动控制.在示教前,需要输入一些相关参数,如码放对象形状和尺寸、抓手几何中心至传送带端面距离、运行时间等参数,之后通过示教器操纵机械手确定抓取和放置点,根据特定算法形成确定路径,码垛仿真如图所示.图机器人选型图周边设备配置码垛机器人的工作流程码垛机器人主要由机械臂、输送链、物料、吸盘工具等组成,该工作站的工作流程如图所示.对搭建的系统进行安全检查,由于吸盘工具模型的本地坐标系与机器人法兰盘坐标系t o o l 重合,吸盘工具末端的工具坐标系即为机器人的工具坐标系,因而在安装吸盘工具之前需对吸盘工具模型做处理,主要分为两步,第一步是在吸盘工具法兰端创建本地坐标系,第二步在吸盘工具末端创建工件坐标系.经过上述处理后,吸盘工具与系统库里的默认工具有了相同的属性,保证吸盘工具安装到机器人法兰盘末端时能保证其工具姿态是所需的.安装完吸盘夹具后,机器人启动,检测到传送链上物料到位信号后,机器人按照预先设计的路径达到取件工具点,吸盘闭合,吸取物料,按照预先设计的路径到达工作台物料放置点,此时,吸盘松开,将物料放置,机器人按照预先设计的路径返回到初始位置,重复上述步骤.图机器人姿态调整图机器人运动仿真在完成几何建模位置布局后,从布局创建系统,对码垛机器人轨迹进行规划,编写作业程序,对程序中的各个点位进行示教,记录各示教点的属性,如点的坐标、相应的功能和功能数据,将虚拟示教器中的R A P I D程序与R o b o tS t u d i o中的程序进行同步,进行仿真验证,若结果不能达到预期要求,则修改程序,直至达到预期要求,根据实际情况,将程序同步到控制柜.第 卷第期吕栋腾,等:码垛机器人运动学分析及仿真研究图码垛机器人工作流程结论码垛工业机器人要求能够快速、准确地搬运和码放物品.在设计时要确定机器人的结构和控制要求,综合考虑其运行速度、承载能力、工作空间等技术指标,充分分析作业技术指标,从而拟定合理的作业工艺.设计时可考虑选用定型的标准组件,这样在一定程度上可简化设计和制造过程.以某真实生产线上的六自由度码垛工业机器人为研究对象,采用D H法建立机械臂数学模型,对机械臂的正运动学、逆运动学进行分析,确定码垛机器人的工作空间.使用R o b o tS t u d i o软件对末端机械爪、物料、传送链等进行建模,完成虚拟场景空间布局.通过离线编程与路线仿真,优化运动路径,实现码垛机器人的运动仿真.该系统适用于中小批量的生产线码垛作业加工,可为码垛机器人仿真设计提供具体方法,提高设计效率和码垛作业生产效率,也可用于其他用途的机器人工作站的设计和运动仿真.参考文献肖全,鞠全勇基于R o b o t S t u d i o的机器人搬运工作站设计与路径仿真J机电技术,():李永梅,刘金刚,马镒明码垛机器人控制系统研究J工业控制计算机,():李营基于垛型规划的码垛机器人双箱抓取研究D天津:河北工业大学,:赵占江码垛机器人结构优化设计与控制系统开发D青岛:青岛大学,:刘晓飞码垛机器人动力学分析与结构优化设计D沈阳:东北大学,:梁彦荣袋装物料码垛机器人装置的虚拟设计D兰州:兰州理工大学,:孙立新,高菲菲,王传龙基于R o b o t S t u d i o的机器人分拣工作站仿真设计J机床与液压,():郭瑞峰,张文辉,彭战奎关节型码垛机器人自主避障的方法研究J机械设计与制造,():孙丽娜码垛机器人控制系统的设计与工艺研究J机械工程与自动化,():蒙重宝多自由度码垛机器人结构设计及运动学研究J黑龙江科学,():周文全,李开明混联码垛机器人的结构设计与位姿误差分析J机械设计与制造工程,():赵翔宇真空吸盘式码垛机器人结构设计及优化分析D唐山:华北理工大学,:顾聪聪,刘送永高速重载码垛机器人动力学仿真J包装工程,():