基于多軸機械臂的外部指令控制策略分析

劉嘉

基于多軸機械臂的外部指令控制策略分析

劉嘉

（太原工業學院機械工程系，山西太原030008）

本文以多軸機械臂為研究對象，基于CytonVeiwer軟件，進行了機械臂運動學建模，實現了手柄對機械臂的控制，并將其運動軌跡導入到MATLAB軟件中進行仿真，得到對機械臂運動軌跡的再現。通過上述工作，確定了仿真方法的可行性，為多軸機械臂控制仿真提供了借鑒方法。

多軸機械臂；運動學建模；手柄

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

表1 實驗室機械臂的DH參數表

根據上表得到，機械臂各連桿的齊次變換矩陣依次為：

1 機械臂的建模與仿真

首先，根據D-H參數，使用link函數建立機械臂各種連桿模型。

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

（1）sigma：0表示連桿對應的關節類型為旋轉關節；1表示連桿對應的關節類型為平移關節。對應關系，連桿1對應關節1，以此類推。

（2）CONVENTION：字符串'standard'表示標準DH方法；字符串'modified'表示非標準的D-H方法。

（3）alpha A theta D：用D-H方法得到的D-H參數。

特別注意：對于旋轉關節，theta是關節變量，表示關節角，隨關節的旋轉而變化，其余三個參數則為常數，反映了連桿之間的幾何關系。對于平移關節，D為關節變量，表示關節位移，隨關節平移而變化，其余三個參數則為常數，反映了連桿之間的幾何關系。在使用該函數建模時，關節變量一律取為0即可。其它參數則直接使用D-H參數值。

（4）offset：使連桿模型與實際連桿一致的關節變量的補償值。

offset的計算方法：offset=D-H參數中的關節變量取值-建模時實際關節的值。前面為7軸智能化機器人手臂各連桿指定坐標系時，機械臂處于直立狀態，各關節的角度值均為pi，因此，這里offset的計算方法為：offset=D-H參數中的關節變量取值-pi。

7軸智能化機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數組。

然后，根據連桿模型，使用robot函數創建機械臂模型。有了機械臂的連桿模型之后，就可以用robot函數創建機械臂的計算模型。

模型名稱=robot（LINK，name）

LINK：就是用link函數創建的各連桿模型。

name：機械臂的名字，為字符串。

2 機械臂動作的仿真

2.1 路徑的規劃

基于多軸手臂路徑規劃工具箱，在其中輸入相關模擬參數，然后點擊“運動到制定位姿”按鈕，觀察手臂的運動路徑及姿態再點擊“順序記錄位姿”按鈕，記錄下手臂運行后的軌跡及控制數據。用同樣方法模擬多組數據并記錄，讓后點擊控制界面內的“計算逆解并存儲”按鈕，將以上運行數據保存入電腦。

2.2 CytonViewer動作仿真

將機器人手臂、游戲手柄正確接入電腦，選擇初始姿態，然后打開CytonViewer模擬仿真軟件，設置好相關參數，并點擊菜單欄內的“plugins”按鈕下載該軟件內的RecordPlayback和Jobstick插件。其中，界面左側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置不同的方向控制鍵；界面右側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。設置完成后點擊“OK”按鈕。

上節手柄操控設置完成后回到主界面，點擊錄像的小紅點按鈕開始錄像，通過手柄遙控機械臂進行動作的仿真，然后將記錄的仿真數據上傳到電腦上存儲。

2.3 仿真結果及分析

運用Robotics Toolbox的drivebot函數可以實現機械臂模型的可視化。運行程序后，仿真結果如圖1所示。在圖1中，{x，y，z}表示機械臂末端執行器的位置，ax，ay，az為采用RPY旋轉表示的末端執行器的姿態。q1，q2，q3，q4，q5，q6，q7分別表示六個關節角的角度值。當關節角的值發生改變時，圖1中機械臂的姿態發生相應的改變。

圖1 各關節控制條變化及各關節角改變時機械臂姿態示意圖

通過分析仿真結果，確定了本文中所采用的基于修改后的D-H方法在進行多軸機械臂的運動學建模方法可行，分析結果基本正確。同時，根據對仿真數據的分析，數據運行可能出現不穩定的狀態，且存在一定的突變概率，意味著機械臂實際運行有可能出現奇異點。則在采用本方法進行多軸機械臂數據建模的過程中需要對數據進行預處理，事先仿真模擬，確定機械臂運行奇異點，從而保證機械臂可以依據預定軌跡運行。

3 結束語

本文結合當今機器人的研究狀況和發展方向，針對多軸機器人手臂進行了以下幾個方面的工作：

（1）運用D-H參數法建立了機械臂的坐標系，確定了在給定位姿情況下，機械臂通過相應地旋轉得到符合給定位姿的途徑。

（2）運用MATLAB軟件內的機械臂二次開發軟件，對機械臂進行路徑的規劃和運動軌跡的仿真，并運用CytonViewer軟件連接手柄對機械臂進行控制操作仿真。

通過上述工作，確定了多軸機械臂的運動學模型，完善了外部指令對機械臂的控制策略，為今后的多軸機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：機械設計及理論。