機器人運動學仿真探索

曹銀冬

摘 ?要：智能化在工業生產中有著十分重要的作用，工藝裝備制作的好壞直接決定著生產出產品質量的高低。由于制作工藝步驟繁瑣復雜，因此提高工作效率是非常重要的事情。其中的設備中以串聯機構和并聯機構相結合的機構可以最有效的方式來實現加工過程，智能化極大地提高了工作效率和質量。

關鍵詞：并聯機構;模具;加工機器人;六自由度;運動學仿真

在國內、外汽車制造領域中，汽車的零件和車身的加工占著重要的地位。加工機器人已經成為自動化加工零件中的中間力量并有著非常廣泛的應用。加工機器人具有快速加工、自動化程度高、工作效率高、加工質量佳等優點。車身模具設計、制造與加工在生產過程中具有十分重要的位置。因此本文在詳細了解串并聯機構各自特點的基礎上，提出了混聯加工八自由度機器人。該加工機器人具備串聯和并聯機構的耦合優勢，融合了加工噴槍，能夠對大型汽車覆蓋件模具進行加工，并且在理想的工作空間內進行加工，從而提高其工作效率和質量。

本文基于這種思想提出基于混聯加工八自由度機器人，串并聯機構以 6-UPS 并聯平臺為基礎，將并聯平臺的定平臺固定在X-Z軸固定導軌上，同時將二自由度旋轉擺動噴頭串聯固定在并聯平臺的動平臺上，通過串、并聯機構的相互組合的方法，使得該機器人最終實現八自由度的加工運動。其中包括6-UPS 并聯平臺自身的六自由度運動以及旋轉擺動噴頭的二自由度運動。并聯機構的動平臺為噴頭提供位置平臺。六自由度平臺由上平臺、下平臺以及六個支腿組成，上、下平臺分別與支腿兩端鉸接，并聯機構定平臺通過固定桿滑板與z軸上導軌相連接。

機器人的動平臺通過六個相同的分支與定平臺相聯接，每個分支有一個移動副（即驅動桿）和兩個球面副（胡克鉸或球鉸）。為了描述平臺的運動，建立兩個坐標系，分別在動、定平臺上建立動坐標系 R'：O'--x'y'z和定坐標系 R：O--xyz。通過驅動桿的伸出和縮回運動，動平臺可以進行三個旋轉自由度和三個平動自由度共六個自由度的運動。

機器人加工工作中形成的運動軌跡，運動軌跡是呈圓錐型螺旋下降的趨勢在加工的過程中，使得在加工中可以更好的使模具均勻的填涂，被遺漏的部分稀少，甚至可以達到整體的效果。

本文中在三維實體軟件Pro/E，建立三維模型，虛擬樣機模型包括三部分：水平和豎直移動的二自由度平臺、六自由度并聯平臺、二自由度旋轉擺動噴頭。通過以上的分析可以得出并聯機構在定姿態下的工作空間。

求解工作空間中，工作運動方程在坐標軸方向上逐漸增量，在逐漸增量的情況下使得動平臺能夠理想邊界范圍中工作空間。在步長和仿真時刻的設置中進行仿真計算，由伺服電動機標準來進行運動，所得的運動軌跡曲線為理想工作范圍。在動平臺的接觸點為中心點的位置為噴嘴的安裝位置，加工軌跡由噴頭的運動和并聯機構的運動相結合而產生，定平臺的參考點固定不動與地面參考點相重合，由軟件自動生成軌跡曲線，并保存結果。

從運動學仿真結果來看，通過對并聯平臺的動平臺進行驅動函數的添加，平臺可以按照給定的函數運動，在X、Y 與Z軸方向做一定規律的正弦運動。動平臺的數值函數中得到的六個分支桿的位移曲線變化規律進行運動函數變量，在運動過程中的加工運動具有相對距離的變量，可以看出在設定的加工運動過程中軌跡的變化是可以預測出來的，并聯定平臺提供動力的伸縮桿的運動是具有運動變化的，六個分支桿同時進行驅動也是十分準確的，并聯機構虛擬樣機模型建立是為噴頭運動提供一定的運動自由度，使得其在工作總可以很好的完成加工任務。在沒有發生約束冗余的情況下說明機構是合理有效的，完全是可以按照人們的設想去運動工作，從而達到理想的工作空間和提高工作效率。

動平臺在驅動函數的變量中得到的六個分支桿的位移曲線變化來帶動二自由度噴頭運動中的相結合的運動過程中，可以得到動平臺中心點速度、加速度變化規律曲線，噴頭末端的位移、角度變化曲線。在與模具之間在加工過程中，由于相對距離的變量一定，可以看出在設定的軌跡運動過程中，并聯機構動、定平臺提供動力的伸縮桿的伸縮量在運動過程中，是相互協作的。六個分支桿同時進行驅動是可靠的，并聯平臺的虛擬樣機模型建立是正確的，在約束冗余沒有發生情況下，說明機構是有效的加工機構，完全是可以按照人們的設想去運動工作，提高工作效率。

結束語：

本文利用三維繪圖軟件PRO/E和仿真軟件 SOLIDWORKS 共同對基于混聯加工八自由度機器人進行了運動學分析并通過幾何法運動學方程的計算進行了研究。在對串并聯機構相結合運動下，進行相互耦合優勢，并在PRO/E軟件中進行三維建模，然后導入 SOLIDWORKS 軟件進行運動學仿真，對機器人的工作空間進行分析，并且得到運動過程中并聯機構動平臺的運動學分析曲線和理想的工作空間。

該機器人由水平、豎直移動平臺和六自由度并聯機構和二自由度噴頭構成。分別可以在水平、豎直上移動，而且六自由度并聯機構與二自由度噴頭相結合，從而進行多自由度加工運動，在給機構添加了移動驅動、點驅動、轉動驅動的情況下，進行運動學仿真分析。然后由幾何法得到的該機器人的運動空間與加載了驅動的三維建模加工機器人得到的運動空間進行運動學工作空間相互比較分析。通過對運動學幾何方法結果的對比分析，對噴嘴的相互運動軌跡進了相互驗證。從而并聯機構stewart的運動空間和二自由度噴頭的工作運動空間是混聯八自由度加工機器人的復合運動空間，通過驗證是完全可以達到理想運動空間和提高工作效率的要求。

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