基于六自由度机械手上下料的运动分析

赵辉 吕奇杰

摘 要：机械手在工业领域逐渐被重视起来，它也体现了机器人技术应用的重要方面。它不仅有效的增加了零件加工产量，并且可以在高危险性的工作要求下解决人力无法完成的工作。在我国对机械手应用在工业领域的支持下，数控机床的加工范围越来越大，加工精度越来越高，但是国内对零件加工目前基本还是依靠人工进行上下料，这种方式不仅无法保证工人的安全，上下料的速度与精度也无法满足数控机床自动化的要求。六自由度机械手上下料不但可以动作迅速，还可以实现定位准确等优点。该文主要通过六自由度机械手实现自动化流水线上的上下料工作，将零件毛胚与CNC数控机床有机结合起来，实现自动化加工，将零件毛胚加工成型的过程并使用机械手串联的方式完成加工，研究其运动动作轨迹，分析运动状态。

关键词：机械手 上下料系统 运动分析 运动状态

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）05（b）-0003-05

Upper and Lower Material Motion Analysis based on Six Degree of Freedom Manipulator

Zhao Hui Lv Qijie

（Northeast Forestry University，Heilongjiang Haerbin，150040，China）

Abstract：Mechanical hand in the industrial field gradually pay attention to it， it also embodies the important aspect of the application of robot technology. It not only effectively increase the parts processing production， and can solve the human is unable to complete the work in the working requirements of high risk under the. In our country the manipulator application support in the industrial field， the machining range of NC machine tools is more and more big， the machining accuracy is more and more high， but the domestic on machining at present basic still relies on manual loading and unloading， this way not only can not guarantee the worker's own safety， upper and lower speed and precision of material also unable to meet the requirements of NC machine tool automation. Six degree of freedom mechanical hand feeding can not only quick action， but also can realize the accurate positioning etc.This paper mainly through the six degree of freedom manipulator to realize the automatic production line of discharging work， the wool embryo and CNC NC machine tool parts organically， realize the automation of machining process， the wool embryo forming parts and the use of mechanical hand series way to finish processing， studies its movement trajectory， movement analysis.

Key Words：Manipulator；Loading and Unloading System；Motion Analysis；Motion State

機器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，自问世以来，就一直备受瞩目。40余年来，有关它的研究取得了长足的进展。各种形态、功能的机器人相继面世，而未来的机器人将是一种能够代替人类在非结构化环境下从事危险、复杂劳动的自动化机器，正是由于机器人在多方面应用的可能性，才使得机器人在财会方面也是可以取得成就的。

对机械手的细分通常按照坐标形式、驱动方法和运动控制方式进行分类。其特性表现为它具有机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等跨学科先进技术于一体的高端制造业重要的智能装备，他共分为机械主题、伺服系统、减速器、控制器四部分组成，我所研究的新松公司的工业机器人在工业生产中能代替人做某些单调、频繁和重复的长时间作业，或是危险恶劣环境下的作业，例如在冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑形制品成型、机械加工和简单装备等工序上，已经完成对人体有害物料的搬运或工艺操作。工业机器人能够提升生产的效率和产品的质量，是企业补充和替代劳动力的有效方案。它具有降低工人劳动强度，增强工作场所健康安全性，提高自动化程度，提高对零部件的处理能力，保证产品质量，提高成品率，提高自动化生产效率等优点，所以值得我们深入研究它的工作方法。

该文选择的一款六轴机器人与数控机床，它在工作中正好体现了它的优越性，取代了劳动力自行完成从零件上料到下料的完整过程，从工作开始到工作结束全部由六自由度工业机器人完成。

1 机械手上下料系统工艺流程

前期我们需要先进行资料的查阅与零件图的分析，可根据零件进行车削工艺分析，制定机械手上下料系统方案设计，根据零件加工方案，制定工艺流程图（图1）而零件的加工需要注意以下几点。

（1）机械手上下料功能。

（2）零件在传送带的输送功能。

（3）上下料机械手的工作协调及工作安全。

在于本设计的优化装置，现将设计要求在符合上述注意事项的情况下设定为：工件上下料工作时间在12 s以内；要求以零件毛胚形式通过人工上料的方式从输送机一端为起点，另一端为重点，期间完成整个加工工程从而做到整个循环过程自动化；将机械手与其对应的CNC设定一个单独独立的工作系统，目的为完成零件的部分加工。最后设定机械手上下料时，末端执行器将零件固定到机床芯轴的定位精度为0.02～0.05 mm。

2 机械手上下料系统工作时序

在此流水线工作过程中，为完成各个加工工序，应将输送机、六自由度上下料机械手、CNC数控机床1、2工作过程中，安排好工作时序，完成加工。整个机械手工作时间须在12秒内完成，提高工作效率（图2）。

为了节省工作时间，对应CNC数控机床1的上下料机械手及对应数控机床2的上下料机械手工作是一致的，由左到右依次为零件毛坯、上下料机械手1、CNC数控机床1、上下料机械手2、数控机床2、上下料机械手3、成品零件槽（其中输送机从零件毛胚处到成品零件槽一直延展）。其中，上下料机械手1与CNC数控机床对应成为加工系统（一），上下料机械手2与数控机床2作为加工系统（二），上下料机械手3与成品零件槽作为拾取收集装置。大体流程为：工人将零件毛胚放置输送机初始端，上下料机械手1对其定位拾取将其运送至CNC数控机床，对应零件固定到机床芯轴的定位精度为0.02～0.05 mm，机械手归位，数控机床1进行加工，加工完畢后机械手将零件取出放置输送机，输送机运行将加工零件运行至数控机床2对应的上下料机械手2处，机械手运行将其放置数控机床2内，数控机床2工作完毕后将其取出放置输送机，输送机运行将零件运输到上下料机械手3前，由上下料机械手3将其放置已加工完毕的零件槽。为减少工作时间，使其工作时机械手同时工作，上料时，零件毛胚由上下料机械手1拾取到CNC数控机床1外端，同时数控机床2打开机床门，上下料机械手2也工作将刚刚从加工系统（一）加工出的零件拾取到数控机床2前并将其安装在三爪卡盘上，同时上下料机械手3将输送带上刚刚数控机床2加工结束后的零件拾取到成品零件槽里。卸料时，CNC数控机床1加工完毕，上下料机械手1将零件取出放置在输送带上，上下料机械手2将数控机床2加工后的零件放置输送机上，上下料机械手3归位至待取状态，放置完毕后输送带运转将零件输送至下一装置。

3 上下料机械手运动学分析

随着科技飞速的发展，工业上对零件的精度要求越来越高的前提，人们对数控机床加工零件的效率也有着较高的提高。在解决零件加工问题上，科技给机械领域带来的是效率的提高，劳动力的节省，故将现有的CNC数控加工技术与工业机器人技术相结合，组成高效率性的加工系统。为了提高生产效率减少加工时间，优化上下料机械手运动轨迹，下面对六自由度机械手进行详细的运动学分析。

3.1 上下料机械手的结构组成

零件加工过程，为了将其有效定位，抓取被加工零件并将它放置到CNC数控机床的卡盘上加工处理，对机械手的自由度要求为六个，可以做到的实现的动作为：平移、抓取、旋转等动作，首先将上下料机械手放置系统中，合理的布局桌面（图3）。

该机械手有六个关节，它们分别是腰关节、肘关节、肩关节、腕关节1、2、3。其中，腕关节1、2、3三个关节构成球腕，而末端执行器为根据零件的不同从而安装不同种类的末端执行机构（图4）。

六自由度机械手技术参数如图1所示。

3.2 上下料机械手的运动学分析

对上下料机械手进行运动学分析，首先要进行坐标系的建立，然后进行运动学的正解分析、逆解分析，从而完成机械手的整个运动学分析。

3.2.1 坐标系的建立

采用D-H（Denavit-Hartenberg）参数法建立此上下料机械手的运动学模型，先将该机械手的简化图做出，分别在各个关节处建立各自的连杆坐标系（图5）。

3.2.2 平面轨迹设计的正运动学分析

机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度或位移，求解计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。

各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为：

=

其中：向矢量处于手爪入物体的方向上，称之为接近矢量，y向矢量的方向从一个指尖指向另一个指尖，处于规定手爪方向上，称为方向矢量；最后一个矢量叫法线矢量，它与矢量和矢量一起构成一个右手矢量集合，并由矢量的叉乘所规定：。

上式表示了机器人变换矩阵，它描述了末端连杆坐标系{4}相对基坐标系{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。

正运动学分析步骤及计算。

（1）根据机器人坐标系的建立中得出的A矩阵，相乘后得到T矩阵，根据一一对应的关系，写出机器人正解的运算公式，上一节中已经对六自由度串联机械手的各个参数进行了计算，因此这里公式不再一一列出。

（2）根据所要设计的文字轨迹，求出各个分量的值，其中以“西”的起笔为第一个输入和输出参数进行求解。可填写“西”字的第一个轨迹参数表。

六自由度串联机器人的正运动学的输入和输出参数，如表2所示。

（3）运行六自由度串联机器人控制系统软件，点击“空间学计算”按钮，出现如图所示界面，在“关节角度”中相应的位置输入各个关节的变量值，点击“正解计算”按钮，各个参数的值显示在“末端位姿”相应的框内。

（4）将计算的值和控制系统软件计算出的值相比较，比较结果是否一致。

3.2.3 六自由度机械手轨迹设计中的逆运动学分析

机器人的运动学反解存在的区域称为机器人的工作空间，求解机器人逆解的目的也在于要求出机器人的工作空间。

工作空间是操作臂的末端能够到达的空间范围，即末端能够到达的目标点集合。值得指出的是，工作空间应该严格地区分为两类：灵活（工作）空间。指机器人手爪能够以任意方位到达的目标点集合。因此，在灵活空间的每个点上，手爪的指向可任意规定。可达（工作）空间。指机器人手爪至少在一个方位上能够到达的目标点集合。

机器人操作臂运动学反解的数目决定于关节数目和连杆参数（对于旋转关节操作臂指的是，）和关节变量的活动范围。

在解运动学方程时，碰到的另一问题是解不唯一（称为多重解）。在工作空间中任何点，机械手能以任意方位到达，并且有两种可能的形位，即运动学方程可能有两组解。

求解RBT系列机器人的过程如下：求解的变量为。

T=（各项公式见正解）

整理矩阵各项可得：

（式3-2）

（式3-3）

（式3-4）

根据上述已知条件求出相应的变量

注：其中，

逆运动学分析步骤及计算

（1）计算机器人运动学方程，根据一一对应的关系，求解机器人逆解的运算公式，如果有的变量有两个值应该全部保留：

求解：由已知（式2.4-1）、（式2.4-2）可知

求解：

设为第三节在大臂坐标系内坐标值，可得

令

令

由倍角公式

可得：

求解：

即：

求解：

由

求解上述方程式可得：

即

求解：

～已知 即已知T1；T矩阵由T1×T2=T可得

T1-1×T=T2与正解T2矩阵项对应元素相等可有方程

整理得

解方程

即

求解：

已知即已知3A4则（T1×3A4）-1×T=4A55A6与正解4A55A6公式对应元素相等可得方程式

求解方程式可知：

求解：

已知同上，对应元素相等可得方程式為：

求解方程式可得：

（2）根据以上计算出的机器人运动学方程，一一对应的关系，将解出的机器人逆解的运算公式填入表中，如表3所示。

将正运动学分析中的数据带入表中，求出各个分量的值，如果有两组分别填入。如表4所示。

（3）运行六自由度串联机器人控制系统软件，点击“空间学计算”按钮，在“末端位姿”中相应的位置输入各个关节的变量值，点击“逆解计算”按钮，逆解的值显示在“关节角度”中相应的框内。

通过运动学逆解得到当被抓物体处于基坐标系的某一点时，各关节所需要转过的角度，运动学逆解可能存在多组解，并不是所有的解都能满足机械手的结构限制，同时满足机械手的结构限制的解也存在是否最优的问题。常用的最优原则有距离最短原则和时间最短原则。

（1）距离最短原则：指到达目标的各关节变量变化的绝对值之和最小。

（2）时间最短原则：是指由机械手到达目标的时间最少。

选择何种最优原则要视控制策略和实际需要而定。

4 结语

该文通过对六自由度机械手上下料的系统的基础上，对数控机床与机械手上下料的工作分析，实现了六自由度机械手上下料加工的过程，并对六自由度机械手上下料做运动分析，也为以后研究六自由度机械手的上下料过程及更复杂的运动轨迹的自由性做进一步研究。

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