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1、三自由度机械手机械结构设计及运动仿真 摘要：指出了随着科技的进步，机器人已广泛应用于各行各业，特殊是工业机器人和服务机器人，像雨后春笋一般快速发展。在工业自动化领域，机器人、可编程限制器和 CAD/CAM成为自动限制的三大技术支柱，在现代工业中发挥着巨大的作用。协作机器人作为工业领域出现的一类新型工业机器人，能够利用人类的智能、敏捷性、阅历、学问，综合机器人自身的高精度、大负载、快速性，以解决在某些应用场合下的困难任务。探讨了协作机器人机械结构的搭建，以建立机器人机械系统，获得物理性人-机器人交互试验的机器人试验基础平台。 关键词：机械臂；协作机器人；机械结构；轨迹规划；机器人运动学 中图分类
2、号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1674-1014414-0266-04 1 引言 随着机器人技术的发展，越来越多的机器人被运用到工业、服务业等领域，进而使人类与机器人的交互越来越频繁。机器人的人机交互分为物理性人-机器人交互和认知性人-机器人交互。物理性人-机交互主要用以解决人与机器人工作空间共享以及对操作者意图的快速精确响应，其面临的主要挑战是平安性和牢靠性问题。一方面，服务机器人是以“人为中心”的，人与机器人处于共同的工作空间里，随着服务机器人应用的日益广泛，两者相互接触越来越不行避开。另一方面，工业领域出现了一类新型工业机器人协作机器人，此类机器人能够利用人类的智能、敏捷性、
3、阅历、学问，综合机器人自身的高精度、大负载、快速性，以解决在某些应用场合下的困难任务。 2 机器人整体结构设计 机械手从上到下依次由主体支承结构、动力结构以及力矩传感器组成。主体支承结构由基座、管臂、末端杆型关节组成，所述动力结构从上到下依次由力矩傳感器、其次电机、端盖、转角接头、转角关节电机座组成。电机固定在基座上，通过转角关节电机座与转角接头连接下一个电机，所述末端杆型关节连接第一电机安装在上方转角接头处。 2.1 机械手整体材料的选用 6061-T651是6061铝合金的主要合金，是经热处理预拉伸工艺生产的高品质铝合金产品，其强度虽不比2系与7系铝合金高，但其镁、硅合金特性多，具有加工性
4、能极佳、优良的焊接特点及电镀性、良好的抗腐蚀性、韧性高及加工后不变形、材料致密无缺陷及易于抛光、上色膜简单、氧化效果极佳等优良特点。6061典型用途代表用途包括航天固定装置、电器固定装置、通讯领域，也广泛应用于自动化机械零件、精密加工、模具制造、电子及精密仪器、SMT、PC板焊锡载具等。 由于机械手设计初衷是为了协作力矩传感器精确测量所受力大小，并不承受过大的冲击载荷，只是简洁的移动转向，所以铝材选用6061型。 2.2 底座结构的设计 底座是支撑整个机械手的部件，它干脆与底板接触，把整个机械手的支撑力传递究竟板。 考虑加工难易程度以及工作半径，底座体积，以及所选定材料，考虑平安洗出后，综合确
5、定选用圆柱圆盘作为底座形态。 为了与力矩传感器的联接支架协作，故以圆柱中心轴线为半径，挖出一个三级阶梯通孔，起直径分别为37 mm，34 mm，21 mm，孔深分别为7 mm，7 mm，3 mm。为了与工作电机协作，同样以圆柱中心轴线为半径，挖一个直径为33 mm的孔，孔深为110 mm。在底座圆盘上，为了和底板协作与便利所选择电机的装配，在其一侧开一个长33 mm的长槽，挖通槽至中心通孔，并在相隔90，180，273處，以分度圆105的其他三测分别挖三个M4通孔，并运用M4螺钉固定在底板上用以安装底座。 2.3 转角接头结构的设计 转角接头是连接机械手底座与第一手臂，第一手臂与其次手臂，其次
6、手臂与第三手臂的重要关节，其一端与力矩传感器干脆连接，一端连接管臂传递扭矩或者连接力矩传感器支架或干脆与力矩传感器联接。 考虑所选加工难易程度，以及所选材料的平安系数后，综合确定选用立方体加圆盘的结构作为转角接头的几何形态。 为了与力矩传感器的联接支架协作，故以圆柱中心轴线为半径，挖出一个三级阶梯通孔，起直径分别为37 mm，34 mm，21 mm，孔深分别为7 mm，7 mm，3 mm。为了与管臂协作，以底部圆盘中心轴线为中心，以47为分度圆，每隔45就挖一个M3孔，深度为8mm；为了连接力矩传感器支架，在上述第三级阶梯孔处，以用孔中轴线为圆心的26为分度圆，每隔120挖一个3.3的通孔，再
7、装配时运用3的固定螺钉固定；为了与力矩传感器干脆相连，同样在以底部圆盘中心轴线为中心，以47为分度圆，每隔45就挖一个M3孔，深度为8 mm。 2.4 连接管臂结构的设计 连接管臂是连接两个转角关节的连接结构，主要担当后一节机械手的重量以及肯定数量的载荷，考虑加工难易程度程度，减轻重量对试验平台的影响，综合确定选用圆柱圆盘结构作为管臂的几何结构。 为了让机械手达到在空间内所须要的工作范围，管臂总长取108 mm。为使重量减轻，管臂中间挖空，所留管臂部分是外径40 mm，内径为35 mm的圆柱结构。在首位两端的圆盘处，为了与转角接头相联接，以底部圆盘中心轴线为中心，以47为分度圆，每隔45就挖一
8、个M3孔，深度为8 mm。 2.5 末端杆型臂的设计 由于机械手自由度初定为3，故连接管臂在第三端处就不用与其余转角接头连接为第四段管臂，所以考虑加工难易程度，并考虑减轻重量，故尾部第三段管臂用一个简易的固定杆臂来替代。 考虑加工难易程度，并减轻重量对整体机械手运动的影响，综合确定第三段机械手运用圆柱与长方体长杆相结合的结构作为其几何外形。 由于第三段机械手也须要与通过力矩传感器支架与力矩传感器连接，故以首端中心轴线为半径，挖出一个三级阶梯通孔，起直径分别为37 mm，34 mm，21 mm，孔深分别为7 mm，7 mm，3 mm。由于长杆结构加工便利，故尾端为长杆结构，长180 mm，截面为
9、长18 mm，宽10 mm的长方形。 3 机械臂运动学计算 3.1 机械臂姿态计算 三自由机械臂中第一个关节绕Z轴旋转，对于平面内的轨迹规划无影响，可以剔除掉，化简为2自由度的机械臂。 基于D-H坐标对机械臂进行运动仿真，设定L2为151个单位长度，L3为217个单位长度，末端执行器的位置和姿态已知，设为。 末端的位置坐标为，姿态为X3轴与基坐标系的X0轴夹角为0，用a表示。让末端初始位置沿着X轴运动75.5个单位的长度，用b表示；末端初始姿态改变为X3轴与基坐标系的X0轴夹角为0，求解其机械臂各关节的改变过程。 由于矩阵TT和矩阵Tp已知，设a代表随意时刻X3轴与X0轴的夹角，b代表随意时刻
10、末端执行器沿X0轴移动的位移，同时随意时刻末端执行器可表示为 依据式、为3个方程、2个未知数，根据传统解法无法得出精确解，可以合并随意2个方程化为1个方程，2个方程组、2个未知数即可求解。在Matlab 中， 对于方程或方程组的求解，可以选用Solve 函数来求解1。 得出的结果有两组，选用第一组解，结果中含有虚数解，但是虚部过小，可以看成实数解，为保证数据连续性，剔除结果最终的零解。记录下X2和X3的结果，并定义2个矩阵用来存储结果。 3.2 机械臂关节参数的数据处理 由于是干脆通过 Solve 函数求出的数据，Matlab 会选用最佳的数据对方程组进行拟合， 因此， 所求解出的数据并不肯定
11、会在同一个周期里。因此对这部分数据进行处理显得极为必要，通过在Matlab2022b中编写程序，将其转换到同一个周期中。 将得到的数据与时间进行关联， 由于Adams 软件中时间与关节驱动的改变要让关节角度从0起先改变，因此对于关节2的全部角度都减去初始角度x2， 其它两个关节做同样的处理。将关节2与时间改变进行关联， 将得到的數据存储为对应的txt文本文件格式。 4 机械臂运动学仿真 4.1 Adams机械臂模型的建立 由于平面二自由度机械臂结构比较简洁，完全可以通过Adams中的CAD功能来建立虚拟样机。对所建立的虚拟样机加以约束，其中连杆起始端与地面为旋转副连接，另一个杆与起始杆也为旋转
12、副连接。模型建立好后，通过Adams的Model Verify吩咐对模型进行检测，显示Model verified successfully，说明建立的模型没有问题。分别对所施加约束的位置添加电机驱动，电机驱动为图3中两个大的旋转箭头所示。 4.2 机械臂关节轨迹的插值 对机械臂关节角度的改变进行插值时，要满意肯定的约束条件。针对本文二自由度机械臂末端执行器要走一条直线，其相应的关节位移、速度、加速度在整个运行过程中要保持连续。 将处理后两个文本文件分别导入到Adams中，对于所导入的数据，导入时选择生成的数据格式选择为试验数据*.*。对于导入的数据，施加电动驱动时，驱动的角度改变为对应的SP
13、LINE形式。驱动的施加运用Adams中的Cubic函数。电机驱动如表2所示。 4.3 Adams机械臂的仿真及后处理 对建立的虚拟样机模型进行2s、101步的仿真。仿真结束后，通过Adams软件的轨迹跟踪功能可以绘制出执行器末端的运动轨迹，绘制的轨迹为图4上的一条抛物线。为了更加直观地显示测量结果，图4为虚拟样机的工作状态。 通过Adams可以测量出末端执行器的位置改变。图5为通过测量执行器末端随时间的改变曲线，可见，末端执行器的X方向的位置坐标和Y方向的位置坐标都近似为一条直线，运动呈线性改变，且Y方向改变率大于X方向改变率，与期望的轨迹相吻合2。 5 结论 协作机器人作為新兴的、备受关注
14、的机器人种类，其具备许多优点，概括起来主要有三个：平安，低成本以及易于上手。本课题搭建的协作机器人主要以轻巧、低成本为目标，选用铝合金材质，设计底座和多个转角接头结构协作，通过电机构建三自由度的机械臂，优化了机械手的结构，利用力矩传感器来接收工作信号，使机器人进行反馈调整，最大程度地保证协作机器人的工作精确度。 协作机器人并不是万能的，它只是现有机器人产品线中一个新兴的细分品类，具有许多传统机器人无法比拟的优势，但是也有不少缺点。为了降低碰撞造成的损失，整个机器人的速度和重量必需被限制在肯定范围内，所以协作机器人的速度普遍都很慢，负载也比较低，较小的自重导致刚性比传统机器人差许多，重复定位精度
15、一般比传统机器人要低一个数量级。 机械臂的运动学求解可利用Matlab的编程计算功能，对更多自由度的机械臂的轨迹规划有较好的帮助，通过Adams的仿真，可以检验规划路径是否正确。 参考文献： 1罗家佳，胡国清.基于MATLAB的机器人运动仿真探讨J.厦门高校学报，2022. 2陈鲁刚，平雪良，徐稀文.平面三自由度机械臂的轨迹规划及仿真J.工具技术，2022.45：2630. 3李增刚.ADAMS入门详解与实例M.北京：国防工业出版社，2022. 4孙 伏.机械手D-H坐标系建立分析J.陕西理工学院学报，2022.32：2428. 5夏 鲲，徐 涛，李静锋，等.工业机器人的发展与应用探讨J.广西
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