機械手的虛擬設計與仿真設計

蘇寧

（遼寧省葫蘆島市錦西工業學校，遼寧 葫蘆島 125000）

機械手的虛擬設計與仿真設計

蘇寧

（遼寧省葫蘆島市錦西工業學校，遼寧 葫蘆島 125000）

分析虛擬產品的建模、仿真的命名、規則、標準為虛擬機械產品的設計提供參考。分析了機械手在虛擬設計與仿真系統中的體系結構，構建了機械手的機構設計的模塊以及機械手的設計知識庫、三維仿真模塊等，還采取措施對水果采摘機械手虛擬設計與仿真系統進行了開發。

機械手；虛擬設計；參數化；仿真

1 虛擬產品的建模、仿真、命名與規則

設計虛擬產品應該本著“數字化、智能化、集成化”的標準。涉及很多跨領域、跨專業人員還有小同專業人員的參與，為了實現產品信息的共享和重用，需要研究零件信息的介理表達，即在計算機中，確保每一種產品具有相同的零件信息。

1.1 標準件命名的規則

對于標準件的命名，需要以一定的規則為基礎，即以國際標準為主。對于標準零件的命名，以中文名稱拼音的首字母為主。為了更好地區分，可在后面加一位特征參數。比如規格為l0的標準螺紋LM10。

1.2 非標準件的命名規則

1.2.1 產品的名稱

為了給產品命名，往往以中文名稱的拼音的第一個字母為主，或者選前兩個或者前三個。若區別不好，可在其后面加一位。比如，命名機械手設計系統時，用機械手的拼音縮寫來命名，即Jxs寫在最開始。

1.2.2 部件的名稱

一般前面是產品名稱，后面是部件的編號。比如，編號為01，則部件為1，而其它的部件名稱也按照這個命名。比如，機械手設計系統中的命名，針對機械手，由三部分組成，即底座、手臂、末端執行器。所以，把Jxs-01作為底座的命名，而Jxs-02為手臂的命名，Jxs-03為末端執行器的命名。

1.2.3 非標準零件名稱

對于非標準零件，命名為前部分是產品名稱，后部是部件的編號，加上零件的編號。比如，給零件1命名的時候，編號記為01，其他零件的命名在這個為基礎上進行。比如，機械手設計系統中，電機被命名為Jxs-01.02。

2 采摘機械手虛擬設計、仿真系統的特點、體系、結構

2.1 采摘機械手虛擬設計、仿真系統的特點

對于采摘機械手涉及兩部分，即虛擬設計、仿真系統，主要進行仿真與機械手的參數化設計等。所以，為了分析采摘機械手的虛擬設計、仿真系統，從如下特點分析。

（1）虛擬產品命名的規則、標準。在對虛擬產品的進行設計時，使用了大量跨專業的人員。對于零部件，在命名虛擬產品建模與仿真中的屬性時要達到統一而規范。其命名規則標準以機械設計、軟件設計為角度分析，分別規定了在程序設計中機械手不同部件的命名規則。

（2）為了便于機械手設計每一個環節的屬性管理，需要對機械手的特征屬性參數化。當用戶對某一個零部件進行修改與設計、優化時，僅僅對其對應的特征、參數完善。接著需要進一步修改與更新，即系統在VC++、Solidwork實時通信的基礎上完成。

（3）重用設計知識。對于一部分知識需要用戶重新組合或部分修改，從而形成新的設計或部件。

（4）為了應用與管理知識，需要借助數據庫的知識庫。對于采摘機械手虛擬設計與仿真系統，為了構建知識庫而使用了數據庫技術。

2.2 采摘機械手虛擬設計與仿真系統體系結構

對于采摘機械手，從虛擬設計、仿真系統分析，包括：機構的設計、誤差的分析、雙目立體的視覺、機械手的仿真、知識手冊的模塊等五個子模塊。為了設計機構，往往從3部分進行，即底座、手臂、末端執行器等。而誤差分析主要分析機構的誤差、視覺的誤差、關聯的誤差等。為了對物體進行識別和定位，需要使用雙目立體視覺。對于機械手仿真，主要仿真正運動、逆運動的情況。其中，為了仿真正運動的情況，需要用戶把每一個關節的具體值輸入進去，讓機械手自己依據預設的參數值來運動。反之，用戶依據末端執行器所提供的坐標值，即在空間的位置，來算出每一個關節的具體值，最終促進機械手結合參數值來完成運動。

3 機械手虛擬設計、仿真系統的關鍵技術

3.1 總體的技術

對于機械手，在設計的時候，需要把其虛擬設計、仿真系統總體技術等結合起來，這樣，使得系統的每一部分子模塊的協調統一，實現了信息和資源的重用與共享。使用的技術有數字仿真、虛擬仿真與三維建模等而知識庫管理的技術、系統框架搭建等技術，需結合這些技術于一起，借助VC++6.0平臺完成與軟件的相互通信，這些軟件包括Matlab, EON, Solidwork, SQL等。而VC++6.0混編，需要與Matlab結合在一起，即在Matlab編譯器下，構建一個動態鏈接庫dll，第二步，在VC中被調用。通過添加EONX. eDrawings控件實現VC++6.0與EON. Solidwork的連接。

3.2 設計采摘機械手的機構

機械手的用途各不一樣，其操作的對象也不一樣，則其機構設計也不一樣。比如，水果采摘機械手，每一個果實的生長位置往往不同，這樣就需要機械手靈活把握。本系統以參數化為思想，從整體方案設計分析，包括三部分，即設計底座、手臂、末端執行器等。

3.3 在數據庫的知識庫的基礎上完成構建與查詢

知識庫服務于某個或多個領域，其往往采用某種或多種方法，而在計算機存儲器中完成存儲、組織、使用、管理等，集中這些知識在一起。其體現了結構化的特點最終形成組織，這樣在操作、管理等方面很有效。對于采摘機械手，在數據庫知識庫基礎上構建其虛擬設計、仿真系統。在知識庫的構建和管理中，使用了成熟的數據庫技術。

在知識庫中，往往把知識、數據庫中的表建立在一起，即映射到關系數據庫的表的一些情況，包括知識信息的屬性、聯系、規則。

（1）對于零件自身的屬性，往往要描繪在數據表中。零件的屬性，即材料、長度、厚度等，構成數據表中的字段部分，以SQL為代碼，同時，零件的編號即ID，其值非零。

（2）對于零件與零件之間的關系，往往會反應在數據表中。有的部件，往往由十幾個零件組成，有的是同種類型的零件，也有多部件組成。零件ID是數據表中的一個字段，而部件編號以主碼ID為主。

（3）把部件與部件之間的聯系映射在數據表中。在數據表中，其每一個字段往往由很多部件組成，主碼被作為方案的編號使用，而每一種方案，均需要加一個權重分析。比如，用戶一旦給與了不清楚的信息，就要這些不清楚信息與知識庫中的知識進行比較分析，從而得出每一個特征參數的比值。針對知識庫的知識，也要進行必要的修改、編輯，從而有效地對知識進行存取與搜索。所以，為了確保知識庫具有統一性、完備性，需要數據庫達到實體的完整，參照的完整、用戶定義的完整等特點。

查詢知識庫主要查詢數據庫。在用戶給出需求之后，知識庫分析每一種方案的比重，即把數目大的一方給用戶使用。接著，在總體設計的方案基礎上，讓用戶分析每一個零件詳細的設計環節中。一旦用戶輸入的參數與知識庫中知識相矛盾，則系統會做出對應提示，使設計方案更加完善。

3.4 機械手虛擬設計與仿真系統的開發與實現

Matlab具有數值的運算功能；而EON具有仿真功能；SQL具有數據庫管理技術；再有，結合參數化、知識重用等，可以在VC++6.0平臺上，實現機械手虛擬設計與仿真系統，并開發了機械手物理樣機，為了驗證這些關鍵技術的意義，可通過仿真和實驗樣機進行。

總而言之，通過把智能、參數化的知識重用、虛擬仿真等技術結合在一起，就能夠開發出機械手的虛擬設計、仿真系統。

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1671-0711（2017）01（下）-0106-02