鍛壓專用六軸機器人運動學分析

邱子浩 韓秀姝 谷文涌

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司山東泰安2.華北水利水電大學電力學院河南鄭州）

鍛壓專用六軸機器人運動學分析

邱子浩1，2韓秀姝1谷文涌1

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司山東泰安2.華北水利水電大學電力學院河南鄭州）

本文根據鍛壓生產現場的實際情況和生產需求，設計了一種基于回轉開鏈結構的六自由度機器人，采用D-H法對六軸機器人進行了運動學分析，得到該結構機器人的運動學方程，并在此基礎上利用MATLAB對該機器人的作業空間進行了仿真分析，驗證了該機器人在鍛壓自動化生產中應用的可行性。

鍛壓自動化生產；六自由度機器人；運動學分析

前言

隨著機器人技術的飛速發展，機器人的功能和用途更加廣泛，在鍛壓生產中選用機器人代替傳統的人工作業方式也逐步得到推廣[1]。我國的鍛壓生產廠家眾多，許多鍛壓生產廠家已經意識到采用機器人代替傳統手工作業的優點和巨大利益空間，這也使得機器人的市場空間得到拓展[2]。本文將針對機器人在小型鍛壓件生產線的應用進行研究，并采用D-H法對機器人進行運動學分析，通過仿真得到機器人的作業空間，根據仿真結果得到該機器人作業空間與其結構的關系。

1 六軸機器人本體結構

本文設計的鍛壓用機器人實質是一種搬運機器人，代替人力實現鍛壓生產中的各種操作。從機構學角度來看，六軸機器人實際上是由六個回轉關節連接起來的開鏈式機械系統，每個關節均采用同步電機驅動，為了增大每個關節的驅動力矩，本文設計的機器人在每個關節的電機上增加行星齒輪減速器，通過同步電機控制機械臂的各個回轉關節以調整機械手臂的位姿使其按照給定的軌跡運動，完成鍛壓操作的各項任務。本文設計的六軸機器人機械本體由底座、腰部旋轉關節、后臂、小前臂、前臂、腕部旋轉關節和末端執行器旋轉關節構成，如圖1所示。

圖1 鍛壓用六軸機器人本體結構圖

2 六軸機器人的正運動學

由于六軸機器人的各個關節均由回轉關節組成，因此本文中采用D-H法進行六軸機器人的運動學分析。在D-H法中，在分析任意機器人機構時，首先建立基坐標系，然后在機器人的每個關節上都建立一個關節坐標系，并指定上一關節的關節坐標系為其參考坐標系，根據齊次變換原理確定從一個關節坐標系到下一個關節坐標系的變換步驟[3]，用矩陣表示為：

從基座到第一個關節，再從第一個關節到第二個關節依次做齊次坐標變換，得到機器人的總變換矩陣[2]，因此，從機器人的基坐標系到末端執行器的變換矩陣為：

式中：An代表由關節n-1到關節n的變換矩陣，n代表了關節總數。

根據D-H法首先建立圖2所示的六軸機器人的參考坐標系。

圖2 六軸機器人的參考坐標系

從關節一開始，軸Z0表示第一個關節的旋轉軸線，依次類推，軸Z6表示末端執行器的運動軸線，需要注意的是運動方程中通常不含末端執行器，但是包含了末端執行器的坐標系，根據建立的機器人參考坐標系列出機器人的D-H參數，建立參數表，如

表1 六軸機器人D-H參數表

將參數表中的數據代入公式（1），得到相鄰關節之間的變換矩陣依次為：表1所示。

機器人從基座到末端執行器的總變換矩陣為：

將參數表中的具體參數代入式（14），得到機器人末端執行器相對于基坐標系的位置方程：

3 六軸機器人作業空間分析

機器人的作業空間可以直觀的反映出機器人可以達到的空間范圍[4]，還可以分析機器人的運動空間是否存在空穴，并且可以根據機器人的作業空間規劃機器人的工作路徑，在本文中，利用MATLAB對機器人的作業空間進行仿真。

式（15）表達的是機器人末端執行器相對于基坐標系的位置關系，方程中每個變量的范圍均已知（表2所示），利用MATLAB編程繪制出機器人的二維作業空間和三維作業空間。

表2 六軸機器人關節最大動作范圍

通過作業空間的仿真圖3和圖4可以看出，機器人的空間作業范圍是一個球體，球體中心有部分空間存在空穴現象，即機器人運動時無法到達的區域，這種現象是由機器人本體結構造成的，機器人在運動時由于手臂的結構尺寸，在運動到某些位置時會出現干涉，這些干涉位置的存在導致了圖4中空穴，因此機器人的結構越緊湊出現的空穴會越小，機器人可以到達的作業空間也越大。

圖3 機器人YOZ平面作業空間

圖4 機器人三維作業空間

本文采用D-H法對鍛壓用六軸機器人進行了運動學分析，得到該機器人的正運動學方程，并對機器人進行了作業空間的求解，本文認為，將該六軸機器人非常適合應用于鍛壓自動化生產線。

[1]王運贛.機器人在鍛壓生產中的應用[J].鍛壓機械，1984（1）：55～65.

[2]陳幼曾.鍛壓加工采用機器人作業的前景[J].機器人技術與應用，2001 （1）：21～24.

[3]何雪濤，程源，黃鐘，楊衛民.奇次坐標變換在空間機構分析中的應用[J].北京化工大學學報，1999，26（1）：4～6.

[4]程永倫，朱世強，羅利佳，劉松國.基于QJ-6R焊接機器人運動學分析及仿真[J].機電工程，2007，24（11）：107～110.

TP242

A

1673-0038（2015）47-0133-03

2015-11-8

邱子浩，山東臨沂人，高級運維專責，在職研究生。