基于AP203的4R機械手運動學仿真軟件研究

陶　柯，郭俊卿

（沈陽工業大學研究生學院，遼寧沈陽110870）

基于AP203的4R機械手運動學仿真軟件研究

陶柯，郭俊卿

（沈陽工業大學研究生學院，遼寧沈陽110870）

基于AP203標準，采用DirectX圖形接口對圖形文件進行圖形重構，創建一個4R機械手運行學仿真軟件。通過對某一4R機械手運動學的分析研究，驗證仿真軟件編寫的正確性。分別采用二次和三次插值函數方式對各關節運動變量進行插值，實現4R機械手的軌跡規劃，并對兩種插值誤差做了對比分析。

AP203；運動學；仿真

0　引言

AP203是一種集成了ISO 10303的協議，用于表征三維產品形狀［1］。本文將對AP203協議下的圖形文件進行解析重構，為仿真系統提供基礎框架。

針對4R機械手運動學方面，本文將采用D-H法進行運動學分析，并采用三次樣條曲線法對機械手運動軌跡進行研究，為仿真系統提供驗證素材。

1　AP203協議下的圖形文件處理

1.1圖形文件解析

AP203協議能夠為產品數據的描述提供中性機制。本文采用由SolidWorks軟件生成的基于AP203協議的STEP文件為圖形文件。STEP圖形文件的幾何體描述是由：Shell（殼）、Face（面）、Loop（環）、Edge（邊）和Vertex（頂點）逐級定義，如圖1所示［2］。

圖1　STEP模型文件架構

其中，Shell分為OpenShell和ClosedShell。本仿真系統采用Closed?Shell的圖形文件進行解析。

依據上述模型文件架構，本文將采取逐級檢索提取相關信息的辦法對模型文件進行解析。檢索方法如下所示：

1.2圖形文件重構

常用的3D圖形接口有DirectX和OpenGL兩種，DirectX依賴于硬件，可以用硬件加速，OpenGL與硬件無關，用軟件進行加速。DirectX與OpenGL的接口文件分別為.X文件和.obj文件，兩者都是將頂點作為基本單元來描繪面信息。本文將采用DirectX接口來實現圖形文件重構。生成的圖形信息描述構成如下所示：

基于STEP文件和DirectX圖形接口，創建了一個圖形顯示界面，如圖2所示。

圖2　圖形顯示界面

2　4R機械手運動學驗證

2.1建立系統坐標系

系統坐標系是做機械手運動學分析的基礎，它決定了機械手各關節運動方向。基于右手法則，本論文建立的系統坐標系圖3所示。

圖3　機械手關節坐標系

2.2坐標系矩陣變換

（1）運動學分析求解

本文將采用機器人學中齊次坐標變換法（即D-H法）［3］對機械手關節模型進行正向求解，得到各關節相對于系統基坐標的矩陣描述可以表示為：

當已知關節位置或位姿描述數值時，可通過運動學反向求解求解各關節運動方向及角度。

求解過程如下：

矩陣對應項相等有：

由上述公式整理得：

由上述公式可以求得θ1、θ2、θ3，θ4為末端關節旋轉角度，影響手爪姿態，對手爪位置無影響，故暫不需要求解，可根據需要進行實際調整。

（2）仿真軟件驗證

本文設定各桿長如表1所示：

表1　4R機械手參數

將關節運動角度θ1=-20°，θ2=30°，θ3=40°賦值到仿真軟件中得到關節運動狀態，如圖4所示：

圖4　機械手運動狀態

仿真軟件顯示末端關節位置，如圖5所示。

圖5　機械手位置坐標

通過理論分析及軟件驗證，可以確定理論分析的正確性，以及仿真軟件的可用性。

3　4R機械手軌跡規劃

3.1機械手軌跡規劃策略

所謂機械手軌跡規劃就是機械手按作業要求，計算出預期的運動軌跡，再按此軌跡進行運動作業。本文將假定機械手按空間直線運動，設定運動初始點為：（0.000，360.000，179.983），運動終止點為（74.389，204.384，-81.308）。將初始點和終止點連線，并進行10等分，得到的采樣點，將其代入運動反解公式，進行關節角度反解。為了方便計算，編制一個軟件進行上述求解，如圖6所示。

圖6　部分計算結果

3.2二次函數插值法控制關節運動

設定機械手由初始位置到終止位置歷經5 s，得到相應的二次曲線，如圖7所示。

圖7　各關節旋轉角度二次曲線

得到相應的二次函數分別為：

將得到的二次函數賦值給仿真軟件，觀察仿真軟件運動，得到5 s后末端關節位置，如圖8所示。

圖8　末端關節位置

3.3三次函數插值法控制關節運動

設定機械手由初始位置到終止位置歷經5s，得到相應的三次曲線，如圖9所示。

圖9　各關節旋轉角度三次曲線

得到相應的三次樣條函數分別為：

將得到的三次樣條函數賦值給仿真軟件，觀察仿真軟件運動，得到5 s后末端關節位置，如圖10所示。

圖10　末端關節位置

3.4關節運動誤差分析

5 s后末端關節位置與終止位置存在偏差，原因在于5 s后的關節位置是經三次樣條函數計算運動后得到的位置，是三次樣條函數擬合后的采用點，與離散生成的采用點不完全重合。軟件得到的末端關節位置比較接近終止位置，只需將末端關節在一個較小空間域運動到終止位置即可得到準確的最終位置。

關節遵循二次函數和三次函數都可以接近最終的目標點。為了判別采用二次函數和三次函數控制各關節運動的誤差，本文引入歐式距離公式：

其中，（x0，y0，z0）為運動終止點，即（74.389，204.384，-81.308）；（x1，y1，z1）為各關節遵循一定曲線在第5秒到達的位置。

分別將各關節通過二次曲線和三次曲線控制得到的運動點帶入歐式距離公式，得到：二次函數的歐式距離為4.722 mm，三次函數的歐式距離為2.200 mm。歐式距離越小，表明越接近最終目標點。即通過三次函數控制各關節運動要優于用二次函數控制各關節運動。

4　結論

經上述研究得出如下結論。

（1）基于AP203標準，可方便地創建一個4R機械手運動學仿真軟件。實現了文件的可視化顯示。經機械手運動學分析實例，驗證了該軟件的編制方案可行性與圖形解析的正確性。

（2）在對4R機械手的運動學軌跡實現中，采用三次插值函數較二次插值的歐式距離更小，運動更精確。

（3）本軟件的研究方法為其他機構形式的機械手的仿真研究提供了參考借鑒。

［1］GB/T 16656.203-1997.工業自動化系統與集成產品數據的表達與交換［S］.

［2］祝海濤，邱長華，劉崇.STEP-NC加工特征提取的研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2006，27（4）：565-569.

［3］熊有倫.機器人技術基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，2004.

［4］陳婷婷.4R多關節輪轂加工上下料機械手的運動分析與研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2012.

Simulation Software of the 4R Manipulator in Kinesiology Based on AP203

TAO Ke，GUO Jun-qing
（Shenyang University of Technology，Shenyang110870，China）

Based on AP203 standard，this paper will use DirectX graphics interface for the reconstruction of the graphics file to create a 4R manipulator kinematic simulation software.Through the analysis of the kinematics of a 4R manipulator，the correctness of the simulation software is verified.Two times and three interpolation functions are used to carry out interpolation for each joint movement variable，and the trajectory planning of 4R manipulator is realized，and the comparison of two interpolation errors is made.

AP203；kinesiology；simulation

TP241

A文獻標識碼：1009-9492（2015）12-0106-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.030

陶柯，男，1958年生，遼寧沈陽人，碩士，副教授。研究領域；機電系統的控制與優化。已發表論文9篇。

（編輯：向飛）

2015-06-17