自動化生產線機械手設計與仿真

摘要：為解決傳統自動化生產線生產效率低、自動化程度低、生產線復雜等問題，設計了一種自動化程度高且簡單的自動化機械手臂，并根據設計進行仿真實驗。實驗結果表明，該設計在自動化生產實踐中取得了較好的效果，提高了生產效率，達到了生產目的。

關鍵詞：自動化;機械手臂;設計;仿真

中圖分類號：TP241.2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）04-0029-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.04.009

0? ? 引言

隨著科技改革創新的不斷深化，工業生產設備逐漸向自動化與智能化方向發展，自動化技術在工業生產中的應用愈發廣泛。在自動化生產的過程中，機械手是工業生產設備的重要裝置，其性能的優劣不僅影響著產品質量，還關乎著企業生產效率。近些年，在食品包裝自動化生產線中采用的機械手運用視覺算法進行運動軌跡指導，完成食物上料以及對包裝好后的產品進行生產線下料處理，從而極大地降低生產成本，提高生產效率。

1? ? 自動化生產線機械手設計

1.1? ? 總體設計方案

在本次自動化生產線機械手設計中，主要分析某食品包裝生產線上下料機械的功能需求。首先完成物料補給的上料過程，然后進行下料點定位，最后釋放物料，完成下料過程。具體如圖1所示[1]。

本文提出了一種三自由度隔軸驅動機械手設計方案，其中有3個旋轉關節，包含機械手大臂、小臂和手腕三部分。機械手采用單獨的軸驅動模式，可以釋放密封處的空間。手腕部裝有雙下料管與二指張角手爪，實現機械手連續放置不同規格的產品包裝功能。它能在保證產品質量的條件下減少工作循環時間，降低能源消耗，提高生產效率，增強企業的市場競爭力。圖2所示為機械手二指張角手爪工作圖[2]。

1.2? ? 結構設計

本文設計的機械手是一種復雜的機械結構，其主要部件包括底座、大臂、小臂和手腕，具體包括同步帶、同步帶輪、關節芯軸、齒輪、步進小臂以及拉伸式電磁鐵等運動部件，如圖3所示。

2? ? 機械手運動學分析

在完成機械手結構分析后，進一步對其展開運動學分析，主要運用逆向運動學算法，即通過坐標系的空間變換求解，具體流程如下：首先，求解相鄰關節之間的空間齊次變換矩陣;然后，依次將矩陣相乘得到坐標系B相對于世界坐標系的位置變換矩陣，即可得到機械手模型正運動學的解，通過確定每個關節的轉角就可確定關節3的坐標系相對于世界坐標系的位置和姿態;最后，根據坐標系進行逆運動學算法的求解，通過已知的位置信息確定機械手各個關節的轉角[3]。

由于大臂、小臂和手腕的相對位置關系已經確定，即可將已知的手腕位姿信息轉換為小臂的位姿信息。首先，將坐標變換矩陣相乘，得到小臂在世界坐標系中的表達式，其中包含3個關節轉角變量;其次，將其與已知的小臂位置信息建立等式，求解未知變量的關節轉角。其中定義坐標系B在坐標系A中的旋轉矩陣為：

坐標系B與坐標系A中的平移矢量表示為：

為了便于運算，通常將旋轉矩陣和平移矢量組合為一個齊次變換矩陣：

將式（1）中的成員變量轉換為關節變量（其中c和s分別為cos和sin的簡寫，以下相同，不再贅述）：

相鄰兩個關節之間的D-H關系如圖4所示，其中各個參數的定義如下：連桿長度ai=沿Xi軸從Zi移動到Zi+1的距離，連桿轉角αi=繞Xi軸從Zi旋轉到Zi+1的角度，連桿偏距di=沿Zi軸從Xi-1移動到Xi的距離，關節角θi=繞Zi軸從Xi-1旋轉到Xi的角度[4]。

根據圖4中的坐標系分布和上述參數定義規則，可以得到表1所示機械手的D-H參數。

D-H參數的標定：由于存在裝配誤差與零件加工誤差，機械手實際D-H參數與理論D-H參數存在差異，實際的D-H參數如表2所示。

測量實際D-H參數的過程稱為運動學參數標定，機械手運動學參數標定過程包括4個步驟：建模、測量、識別和補償。參數識別過程采用數學標定模型，盡可能準確地識別參數誤差。參數識別過程通常是以最小化末端執行器姿態的殘差為約束條件進行的，主要通過測量末端執行器的位置或姿態來獲得數據，利用迭代算法使手腕姿態殘差最小求出實際的D-H參數值。由于實驗設備及時間原因，本文不進行機械手的運動學參數標定，即采用理論D-H參數進行接下來的實驗。

根據表1中的數據以及公式（4），可以求出每一個連桿變換矩陣：

坐標系B相對于世界坐標系的矩陣變換為：

通過Matlab進行計算，程序編寫如下：

通過運算，可以得到0 3T關于變量t1～t3的數學關系，即機械手模型的正運動學算法。其中t1～t3對應于連桿參數表中的θ1～θ3。已知0 3T，可以通過迭代求解位置依次求解各個關節的轉動角度θ。已知坐標系B在世界坐標系下的位置信息：

將式（8）代入式（7）進行迭代運算求解出各個關節角度，其求解思路為在方程兩邊同時乘上矩陣的逆進行變量分解，使得等式兩邊的矩陣某一相同位置元素相等且只含有一個關節轉動變量，聯立等式求取變量值。將已經求解的變量值代入矩陣重復上述步驟，直到求解出全部關節變量。

3? ? 自動化生產線機械手運動仿真

3.1? ? 建立與導入三維模型

運用SolidWorks軟件完成零件的三維實體建模，并進行總體組成裝配，為后文仿真分析奠定基礎，如圖5所示。

本文對機械手關鍵部件的材料進行了選擇，為使機械手能夠承載一定的載荷，傳遞力矩的關節芯軸和齒輪必須具有良好的耐磨性，故選用密度小、耐腐蝕及硬度高的鋁合金（1060）作為機械手的臂架、手臂和手腕部件的材料[5]。

3.2? ? 修改各運動關節的質量和慣性矩屬性

本次設計中每個零件的材料都與SolidWorks中定義的材料不同，因此必須重置機械手模型的重力和慣性矩屬性。首先右鍵單擊要修改的零件，選擇“修改”;然后單擊“出現”，在出現的“定義質量依據”對話框中選擇“用戶輸入”;最后在操作區中計算機械手的質量和慣性矩，修改實體的質量特性，并修改Modify體的dabi、xiaobi和shouwan各自的質量慣性矩參數，如圖6所示。

3.3? ? 構建運動仿真模型

在本文研究的機械手模型中，所提到的關節除底部和地板外都是旋轉關節。為驗證機器人的可行性，需要對模型進行運動仿真，并且仿真平臺是SolidWorks軟件的運動分析模塊。實驗中使用了逆運動學算法，由于上下物料頭的坐標系已知，可獲得每個關節的旋轉角度。接著，替換在逆運動學算法中定義的多個上下物料頭坐標系的信息，以獲得一系列關節角度值，再將該系列角度值輸入到運動分析系統中，得到整個機器人模型仿真過程，如圖7所示。

結合后續的動力學仿真曲線分析結果、有限元分析結果，可以進一步對設計結構進行優化，提升機械手結構整體的可靠性。

4? ? 結語

隨著自動化生產對產品質量與效率的要求不斷提高，亟需對自動化生產線機械手進行優化設計。本文在確定了整體設計方案后，完成了結構設計與運動學分析，最后針對設計結果進行運動仿真，期望通過后續的仿真分析，進一步提升設計結構的綜合性能。

[參考文獻]

[1] 李佳.自動上下料機械手的設計研究[D].北京：北京郵電大學，2019.

[2] 王錚，王志輝.石板材自動上下料機械手設計與研究[J].數字制造科學，2019，17（3）：216-220.

[3] 劉飛飛，孟得姣，高堂盼.數控加工自動上下料機械手爪設計與仿真[J].組合機床與自動化加工技術，2017（6）：150-153.

[4] 童樂.磨機換襯板機械手虛擬樣機設計及分析[D].贛州：江西理工大學，2016.

[5] 王守城，王熙，段俊勇，等.基于MATLAB的沖床上下料機械手運動學分析[J].機械設計與制造工程，2018，47（6）：9-13.

收稿日期：2021-12-03

作者簡介：陳運林（1999—），男，貴州人，研究方向：自動化。

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