基于多軸機(jī)械臂的外部指令控制策略分析

劉嘉

基于多軸機(jī)械臂的外部指令控制策略分析

劉嘉

（太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西太原030008）

本文以多軸機(jī)械臂為研究對象，基于CytonVeiwer軟件，進(jìn)行了機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了手柄對機(jī)械臂的控制，并將其運(yùn)動軌跡導(dǎo)入到MATLAB軟件中進(jìn)行仿真，得到對機(jī)械臂運(yùn)動軌跡的再現(xiàn)。通過上述工作，確定了仿真方法的可行性，為多軸機(jī)械臂控制仿真提供了借鑒方法。

多軸機(jī)械臂；運(yùn)動學(xué)建模；手柄

本文針對多軸機(jī)械臂展開分析，研究外部指令控制下的機(jī)械臂運(yùn)動控制策略。依據(jù)D-H方程進(jìn)行機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型的建立，并依據(jù)該模型，確定了機(jī)械臂運(yùn)動仿真的方法。本文中使用的機(jī)械臂的DH參數(shù)如表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)室機(jī)械臂的DH參數(shù)表

根據(jù)上表得到，機(jī)械臂各連桿的齊次變換矩陣依次為：

1 機(jī)械臂的建模與仿真

首先，根據(jù)D-H參數(shù)，使用link函數(shù)建立機(jī)械臂各種連桿模型。

格式：L=link（[alpha A theta D sigma offset]，CONVENTION）

（1）sigma：0表示連桿對應(yīng)的關(guān)節(jié)類型為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；1表示連桿對應(yīng)的關(guān)節(jié)類型為平移關(guān)節(jié)。對應(yīng)關(guān)系，連桿1對應(yīng)關(guān)節(jié)1，以此類推。

（2）CONVENTION：字符串'standard'表示標(biāo)準(zhǔn)DH方法；字符串'modified'表示非標(biāo)準(zhǔn)的D-H方法。

（3）alpha A theta D：用D-H方法得到的D-H參數(shù)。

特別注意：對于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，theta是關(guān)節(jié)變量，表示關(guān)節(jié)角，隨關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)而變化，其余三個參數(shù)則為常數(shù)，反映了連桿之間的幾何關(guān)系。對于平移關(guān)節(jié)，D為關(guān)節(jié)變量，表示關(guān)節(jié)位移，隨關(guān)節(jié)平移而變化，其余三個參數(shù)則為常數(shù)，反映了連桿之間的幾何關(guān)系。在使用該函數(shù)建模時(shí)，關(guān)節(jié)變量一律取為0即可。其它參數(shù)則直接使用D-H參數(shù)值。

（4）offset：使連桿模型與實(shí)際連桿一致的關(guān)節(jié)變量的補(bǔ)償值。

offset的計(jì)算方法：offset=D-H參數(shù)中的關(guān)節(jié)變量取值-建模時(shí)實(shí)際關(guān)節(jié)的值。前面為7軸智能化機(jī)器人手臂各連桿指定坐標(biāo)系時(shí)，機(jī)械臂處于直立狀態(tài)，各關(guān)節(jié)的角度值均為pi，因此，這里offset的計(jì)算方法為：offset=D-H參數(shù)中的關(guān)節(jié)變量取值-pi。

7軸智能化機(jī)器人手臂的各連桿模型為：

連桿1：L{1}=link（[pi/2，0，0，120，0，-pi/2-pi]，'standard'）；

連桿2：L{2}=link（[pi/2，0，0，0，0，pi-pi]，'standard'）；

連桿3：L{3}=link（[pi/2，0，0，140.8，0，pi-pi]，'standard'）；

連桿4：L{4}=link（[-pi/2，71.8，0，0，0，pi/2-pi]，'standard'）；

連桿5：L{5}=link（[pi/2，71.8，0，0，0，0-pi]，'standard'）；

連桿6：L{6}=link（[pi/2，0，0，0，0，pi/2-pi]，'standard'）；

連桿7：L{7}=link（[0，0，0，129.6，0，0-pi]，'standard'）

L是一個CELL數(shù)組。

然后，根據(jù)連桿模型，使用robot函數(shù)創(chuàng)建機(jī)械臂模型。有了機(jī)械臂的連桿模型之后，就可以用robot函數(shù)創(chuàng)建機(jī)械臂的計(jì)算模型。

模型名稱=robot（LINK，name）

LINK：就是用link函數(shù)創(chuàng)建的各連桿模型。

name：機(jī)械臂的名字，為字符串。

2 機(jī)械臂動作的仿真

2.1 路徑的規(guī)劃

基于多軸手臂路徑規(guī)劃工具箱，在其中輸入相關(guān)模擬參數(shù)，然后點(diǎn)擊“運(yùn)動到制定位姿”按鈕，觀察手臂的運(yùn)動路徑及姿態(tài)再點(diǎn)擊“順序記錄位姿”按鈕，記錄下手臂運(yùn)行后的軌跡及控制數(shù)據(jù)。用同樣方法模擬多組數(shù)據(jù)并記錄，讓后點(diǎn)擊控制界面內(nèi)的“計(jì)算逆解并存儲”按鈕，將以上運(yùn)行數(shù)據(jù)保存入電腦。

2.2 CytonViewer動作仿真

將機(jī)器人手臂、游戲手柄正確接入電腦，選擇初始姿態(tài)，然后打開CytonViewer模擬仿真軟件，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)，并點(diǎn)擊菜單欄內(nèi)的“plugins”按鈕下載該軟件內(nèi)的RecordPlayback和Jobstick插件。其中，界面左側(cè)窗口顯示手柄操控方向按鈕，通過操控手柄不同的方向鍵設(shè)置不同的方向控制鍵；界面右側(cè)窗口顯示手柄操控功能按鈕，任意選擇手柄兩個功能按鍵控制手臂夾子的打開和合閉。設(shè)置完成后點(diǎn)擊“OK”按鈕。

上節(jié)手柄操控設(shè)置完成后回到主界面，點(diǎn)擊錄像的小紅點(diǎn)按鈕開始錄像，通過手柄遙控機(jī)械臂進(jìn)行動作的仿真，然后將記錄的仿真數(shù)據(jù)上傳到電腦上存儲。

2.3 仿真結(jié)果及分析

運(yùn)用Robotics Toolbox的drivebot函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂模型的可視化。運(yùn)行程序后，仿真結(jié)果如圖1所示。在圖1中，{x，y，z}表示機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置，ax，ay，az為采用RPY旋轉(zhuǎn)表示的末端執(zhí)行器的姿態(tài)。q1，q2，q3，q4，q5，q6，q7分別表示六個關(guān)節(jié)角的角度值。當(dāng)關(guān)節(jié)角的值發(fā)生改變時(shí)，圖1中機(jī)械臂的姿態(tài)發(fā)生相應(yīng)的改變。

圖1 各關(guān)節(jié)控制條變化及各關(guān)節(jié)角改變時(shí)機(jī)械臂姿態(tài)示意圖

通過分析仿真結(jié)果，確定了本文中所采用的基于修改后的D-H方法在進(jìn)行多軸機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模方法可行，分析結(jié)果基本正確。同時(shí)，根據(jù)對仿真數(shù)據(jù)的分析，數(shù)據(jù)運(yùn)行可能出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，且存在一定的突變概率，意味著機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)行有可能出現(xiàn)奇異點(diǎn)。則在采用本方法進(jìn)行多軸機(jī)械臂數(shù)據(jù)建模的過程中需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，事先仿真模擬，確定機(jī)械臂運(yùn)行奇異點(diǎn)，從而保證機(jī)械臂可以依據(jù)預(yù)定軌跡運(yùn)行。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)今機(jī)器人的研究狀況和發(fā)展方向，針對多軸機(jī)器人手臂進(jìn)行了以下幾個方面的工作：

（1）運(yùn)用D-H參數(shù)法建立了機(jī)械臂的坐標(biāo)系，確定了在給定位姿情況下，機(jī)械臂通過相應(yīng)地旋轉(zhuǎn)得到符合給定位姿的途徑。

（2）運(yùn)用MATLAB軟件內(nèi)的機(jī)械臂二次開發(fā)軟件，對機(jī)械臂進(jìn)行路徑的規(guī)劃和運(yùn)動軌跡的仿真，并運(yùn)用CytonViewer軟件連接手柄對機(jī)械臂進(jìn)行控制操作仿真。

通過上述工作，確定了多軸機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)模型，完善了外部指令對機(jī)械臂的控制策略，為今后的多軸機(jī)械臂控制提供了借鑒方法。

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Based on the Action of Multi-Axis Motion Control Analysis of Mechanical Arm

LIU Jia
（Taiyuan Institute of Technology Department of Mechanical Engineering，Taiyuan Shanxi 030008，China）

This paper uses multi axis manipulator as the research object，based on the cytonveiwer software，the manipulator kinematics modeling，the handle control of the manipulator，and the simulation of its trajectory into MATLAB software，get the representation of the manipulator trajectory.Through the above work，the feasibility of the simulation method is confirmed，which provides a reference for the simulation of multi axis manipulator control.

multi-axis manipulator；kinematics modeling；handles

TP241

A

1672-545X（2017）02-0220-03

2016-11-27

劉嘉（1982-）男，山西祁縣人，講師，碩士，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。