基于VB開發(fā)環(huán)境的機(jī)械臂可視化研究

湯 妍

基于VB開發(fā)環(huán)境的機(jī)械臂可視化研究

湯 妍

本文運(yùn)用DH參數(shù)法在Visual Basic軟件中搭建運(yùn)動學(xué)正解、逆解求解界面，在界面中動態(tài)演示出相應(yīng)的機(jī)械臂運(yùn)動過程。加快運(yùn)動學(xué)求解的同時，在機(jī)械臂投入流水線生產(chǎn)前，可視化的展現(xiàn)流水線生產(chǎn)過程，暴露瑕疵，對于生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)具有參考意義。

機(jī)械臂是由首端固定、末端安裝執(zhí)行裝置而其他各個關(guān)節(jié)的平移旋轉(zhuǎn)構(gòu)成。

目前，在食品包裝、醫(yī)藥、電子和光伏、玻璃制品精加工等行業(yè)中，機(jī)械臂均得到了廣泛的應(yīng)用。其中機(jī)械臂在生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用，節(jié)省了人力、物力。尤其針對于一些精密器件，全機(jī)械化更有益于器件的精確操作和保存。機(jī)械臂的使用同時也降低了生產(chǎn)成本和事故風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)展前景廣闊。

大多機(jī)械臂可視化生成程序在VC中實(shí)現(xiàn)，但VC掌握、熟練應(yīng)用難度大，涉及的尖端技術(shù)成本過高，對于國內(nèi)的低成本應(yīng)用開發(fā)者來說，可行性有限。Visual Basic軟件的優(yōu)勢在于：無繁瑣定義、面向?qū)ο蠛腿菀渍莆铡Ｒ虼吮窘缑娌捎昧薞B軟件來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂可視化生成的研究，力求在模擬設(shè)計(jì)和仿真研究方面簡化工作量，節(jié)約時間和成本。

VB軟件仿真結(jié)果顯示，此動態(tài)機(jī)械臂的可視化生成界面，可在多機(jī)械人手臂投入使用前，把機(jī)器人正、逆解結(jié)果直觀通過矩形框的運(yùn)動展示出來，有利于在投入生產(chǎn)之前提前暴露并修補(bǔ)瑕疵。

機(jī)械手臂的坐標(biāo)變換

坐標(biāo)變換是用來描述任意的一點(diǎn)從一個坐標(biāo)系投影到另一個坐標(biāo)系的變換關(guān)系。機(jī)械手臂的運(yùn)動涉及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，這就需要對零件、工具本身的位置和姿態(tài)進(jìn)行描述。

機(jī)械臂坐標(biāo)的變換分為：

平移變換

旋轉(zhuǎn)變換

平移變換與旋轉(zhuǎn)的結(jié)合。

（1）平移坐標(biāo)變換

平移前后的坐標(biāo)系方位相同，原點(diǎn)不同。AP 表示坐標(biāo)

B0系｛B｝相對于坐標(biāo)系｛A｝的位置關(guān)系。在坐標(biāo)系｛B｝中，若點(diǎn)P的位置為BP ，那么點(diǎn)P在坐標(biāo)系｛A｝中的坐標(biāo)AP ：

（2）旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換

設(shè)有原點(diǎn)相同，方位不同兩坐標(biāo)系。

AR為旋轉(zhuǎn)矩陣即坐標(biāo)系｛B｝相對于坐標(biāo)系｛A｝的方位。

任意一點(diǎn)在兩坐標(biāo)系中的變換關(guān)系如下：

（3）復(fù)合坐標(biāo)變換

一般情況下，機(jī)械臂的變換均是相對于運(yùn)動坐標(biāo)系而言的。最終要的就是計(jì)算手臂末端相對于大地坐標(biāo)系的位置。計(jì)算的是運(yùn)動的手臂關(guān)節(jié)坐標(biāo)系相對于首端固定坐標(biāo)系的變換矩陣。即位置描述和方位描述。

（1）位置描述

圖1　平移變換

圖2　復(fù)合變換

圖3　位置表示

在坐標(biāo)系下，用3×1的列矢量來表示一點(diǎn)P的位置：

（2）方位描述

xB、yB、zB為空間中某物體B在其所在坐標(biāo)系下的單位矢量。單位矢量相對于參考坐標(biāo)系的方向余弦組成矩陣，即：旋轉(zhuǎn)矩陣；A-參考坐標(biāo)系｛A｝；B-坐標(biāo)系｛B｝。有九個元素，其中的三個元素獨(dú)立。單位矢量A、xB中的三個列矢量，它們兩兩相互垂直，中的九個元素滿足以下幾個約束條件：

機(jī)械手臂模型建立

利用OpenGL建立三維立體模型。求解運(yùn)動學(xué)逆解：已知末端和首段坐標(biāo)參數(shù)，計(jì)算各關(guān)節(jié)參數(shù)值。求解運(yùn)動學(xué)正解：已知首段坐標(biāo)參數(shù)和各關(guān)節(jié)參數(shù)值，計(jì)算末端位置參數(shù)。

機(jī)械手臂按照計(jì)算出的運(yùn)動學(xué)正、逆解的坐標(biāo)位置，規(guī)劃運(yùn)動軌跡，是機(jī)器人按照最短運(yùn)動路徑，運(yùn)動到指定的最終坐標(biāo)點(diǎn)。

可視化界面研究

DH參數(shù)法下的坐標(biāo)系

約定X（i）與Z（i-1）垂直相交，變換矩陣為：

用戶根據(jù)需求，在界面中點(diǎn)定關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，拉伸模擬關(guān)節(jié)的矩形框，確定手臂的長短，疊加出三自由度的機(jī)械臂模型。給出工件所在的位置A，運(yùn)用運(yùn)動學(xué)逆求解方法，計(jì)算出此時各關(guān)節(jié)變量，根據(jù)求得的解，進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動，直到手臂前端坐標(biāo)與位置A處坐標(biāo)相重合。當(dāng)機(jī)械臂1回到初始位置，用同樣的方法，機(jī)械臂2開始運(yùn)動到B點(diǎn)處提取工件。

結(jié)語

利用DH 參數(shù)法求解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正、逆解，演示其求解界面，并演示出多條手臂動態(tài)運(yùn)動過程是本文研究的重點(diǎn)。在VB環(huán)境下動態(tài)的演示了機(jī)械臂運(yùn)動過程，本界面實(shí)現(xiàn)了在流水線生產(chǎn)前提下可視化模擬的目的。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.24.023