基于UG機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真*

任軍輝 ，喬 琳

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000）

0 引言

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于各種生產(chǎn)過(guò)程中，提高了生產(chǎn)的安全性和勞動(dòng)效率[1-2]。末端執(zhí)行器是安裝在工業(yè)機(jī)器人或機(jī)械臂末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)械手是常見(jiàn)的末端執(zhí)行器，多用于抓取、轉(zhuǎn)移零件或其他的物件[3]，主要包括安裝架、爪手和運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三部分，如圖1所示。安裝架上端需要與機(jī)械臂安裝結(jié)構(gòu)相匹配，滿足安裝要求；爪手是與抓取對(duì)象直接作用的部分，既要抓取穩(wěn)定，又不能對(duì)物件造成損傷；為了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多種形狀物件的抓取，需要改變爪手各手指間的相對(duì)位置姿態(tài)，因此還需設(shè)計(jì)爪手的運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)裝置[4]。

圖1 末端執(zhí)行器機(jī)械手

在滿足以上設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的快速與精確，課題組采用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段[5]，利用3D建模軟件UG的零件建模和裝配模塊，對(duì)末端執(zhí)行器機(jī)械手進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配[6]。完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，

利用UG運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析[7]。替代傳統(tǒng)設(shè)計(jì)需要制造樣件進(jìn)行驗(yàn)證的過(guò)程，極大地縮減設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，采用UG工程圖模塊生成零件和裝配圖工程圖紙，為后期加工制造提供支撐[8]。

1 末端執(zhí)行器機(jī)械手的設(shè)計(jì)

1.1 安裝架的設(shè)計(jì)

一方面，安裝架與機(jī)器人或機(jī)械臂進(jìn)行連接，安裝架頂板中央設(shè)計(jì)與機(jī)械臂連接的標(biāo)準(zhǔn)接口；另一方面，安裝架具有作為機(jī)械手各零部件的安裝機(jī)架的作用。其設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。主要由頂板、豎板和多個(gè)安裝板利用直角連接板和螺釘進(jìn)行拼裝。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)尺寸、氣缸尺寸、活塞運(yùn)動(dòng)行程確定各自安裝板在安裝架的設(shè)計(jì)位置。其3D數(shù)字化建模設(shè)計(jì)流程如下：1）新建模型文件；2）零件建模；3）裝配；4）工程圖。首先新建格式為.prt的模型文件；在UG建模環(huán)境下分別完成安裝架的頂板、豎板、底板、直角連接板等零件的三維建模；在裝配模塊中完成各零件的裝配；在制圖模塊根據(jù)表達(dá)需求生成通用.dwg格式工程圖紙文件。安裝架工程圖如圖3 所示。其余部分的設(shè)計(jì)流程與此過(guò)程基本一致。

圖2 安裝架三維模型

圖3 安裝架工程圖

1.2 爪手的設(shè)計(jì)

爪手的功能主要是抓取物件，結(jié)構(gòu)為多個(gè)相同的連桿機(jī)構(gòu)[9]。不同數(shù)量的爪手適應(yīng)不同形狀的抓取。2指適用于抓取片體、鉤環(huán)結(jié)構(gòu)體；3指可以抓取球體、塊體物件；4指適用于抓取柱狀物件、條形物件。更多數(shù)量的爪手能夠使得抓取更為穩(wěn)定，但同時(shí)也會(huì)使機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)制造更為復(fù)雜。本設(shè)計(jì)選用4指機(jī)構(gòu)，通過(guò)位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)爪手相對(duì)位置角度的變化，極限位置可視為2指機(jī)構(gòu)。爪手三維模型如圖4所示。

圖4 爪手三維模型

1.3 位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手的各手指運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)是整個(gè)裝置的核心[10]。位置調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)手指間協(xié)同擴(kuò)張與收緊的抓取動(dòng)作，并且實(shí)現(xiàn)手指間的相對(duì)位置變化。本設(shè)計(jì)采用固定座與滑動(dòng)座搭配的方式實(shí)現(xiàn)了部分手指沿內(nèi)環(huán)件、外環(huán)件上的滑槽的滑動(dòng)，從而改變各爪手相對(duì)位置，適用于更多的抓取場(chǎng)合。當(dāng)相鄰爪手分離，機(jī)構(gòu)為4指結(jié)構(gòu)，當(dāng)相鄰固定座與滑動(dòng)座接觸，對(duì)應(yīng)兩個(gè)爪手處于同一位置，整個(gè)裝置可以視為2指結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)模型分別如圖5所示。

圖5 位置調(diào)節(jié)改變手指相對(duì)位置

2 末端執(zhí)行器機(jī)械手的裝配

裝配時(shí)數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)各零件之間的靜態(tài)關(guān)系進(jìn)行校驗(yàn)，如尺寸大小、配合關(guān)系等。利用UG中的裝配模塊完成機(jī)械手的裝配。其過(guò)程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)依次為：1）新建格式為.prt的裝配文件；2）依次添加所需的零部件三維模型；3）為配合處添加合適的約束，限定構(gòu)件的自由度。裝配完成的效果如圖6所示。

圖6 機(jī)械手裝配效果

3 末端執(zhí)行器機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真分析

在設(shè)計(jì)軟件中對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，能夠預(yù)先在加工之前知道現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案的運(yùn)動(dòng)情況，并分析相關(guān)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)值。避免了制作樣機(jī)后發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)，也可根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)三維模型進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化修改。利用UG中的運(yùn)動(dòng)仿真模塊對(duì)整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程如下：1）打開(kāi)已完成的裝配文件；2）進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真模塊，新建運(yùn)動(dòng)仿真文件；3）定義運(yùn)動(dòng)體；4）設(shè)置運(yùn)動(dòng)副；5）設(shè)定驅(qū)動(dòng)件與驅(qū)動(dòng)規(guī)律；6）解算求解方案；7）查看分析結(jié)果。從運(yùn)動(dòng)仿真分析結(jié)果可以看出，所涉及的機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的抓取動(dòng)作，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)爪手位置調(diào)節(jié)的效果，如圖7所示。

圖7 不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

4 總結(jié)

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件UG中的3D建模、裝配塊模及運(yùn)動(dòng)仿真模塊，建立了機(jī)械手各部分零件的三維模型，并進(jìn)行三維模型的裝配，完成了一種機(jī)器人末端執(zhí)行器機(jī)械手的快速設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真。機(jī)械手不僅能夠完成物件的抓取動(dòng)作，并且可以改變爪手的相對(duì)位置，從而適應(yīng)更多形狀物件的抓取。數(shù)字化的設(shè)計(jì)和仿真過(guò)程有效地降低了產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間，為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式提供了新的參考。