机械手的虚拟设计与仿真设计

苏宁

（辽宁省葫芦岛市锦西工业学校，辽宁 葫芦岛 125000）

机械手的虚拟设计与仿真设计

苏宁

（辽宁省葫芦岛市锦西工业学校，辽宁 葫芦岛 125000）

分析虚拟产品的建模、仿真的命名、规则、标准为虚拟机械产品的设计提供参考。分析了机械手在虚拟设计与仿真系统中的体系结构，构建了机械手的机构设计的模块以及机械手的设计知识库、三维仿真模块等，还采取措施对水果采摘机械手虚拟设计与仿真系统进行了开发。

机械手；虚拟设计；参数化；仿真

1 虚拟产品的建模、仿真、命名与规则

设计虚拟产品应该本着“数字化、智能化、集成化”的标准。涉及很多跨领域、跨专业人员还有小同专业人员的参与，为了实现产品信息的共享和重用，需要研究零件信息的介理表达，即在计算机中，确保每一种产品具有相同的零件信息。

1.1 标准件命名的规则

对于标准件的命名，需要以一定的规则为基础，即以国际标准为主。对于标准零件的命名，以中文名称拼音的首字母为主。为了更好地区分，可在后面加一位特征参数。比如规格为l0的标准螺纹LM10。

1.2 非标准件的命名规则

1.2.1 产品的名称

为了给产品命名，往往以中文名称的拼音的第一个字母为主，或者选前两个或者前三个。若区别不好，可在其后面加一位。比如，命名机械手设计系统时，用机械手的拼音缩写来命名，即Jxs写在最开始。

1.2.2 部件的名称

一般前面是产品名称，后面是部件的编号。比如，编号为01，则部件为1，而其它的部件名称也按照这个命名。比如，机械手设计系统中的命名，针对机械手，由三部分组成，即底座、手臂、末端执行器。所以，把Jxs-01作为底座的命名，而Jxs-02为手臂的命名，Jxs-03为末端执行器的命名。

1.2.3 非标准零件名称

对于非标准零件，命名为前部分是产品名称，后部是部件的编号，加上零件的编号。比如，给零件1命名的时候，编号记为01，其他零件的命名在这个为基础上进行。比如，机械手设计系统中，电机被命名为Jxs-01.02。

2 采摘机械手虚拟设计、仿真系统的特点、体系、结构

2.1 采摘机械手虚拟设计、仿真系统的特点

对于采摘机械手涉及两部分，即虚拟设计、仿真系统，主要进行仿真与机械手的参数化设计等。所以，为了分析采摘机械手的虚拟设计、仿真系统，从如下特点分析。

（1）虚拟产品命名的规则、标准。在对虚拟产品的进行设计时，使用了大量跨专业的人员。对于零部件，在命名虚拟产品建模与仿真中的属性时要达到统一而规范。其命名规则标准以机械设计、软件设计为角度分析，分别规定了在程序设计中机械手不同部件的命名规则。

（2）为了便于机械手设计每一个环节的属性管理，需要对机械手的特征属性参数化。当用户对某一个零部件进行修改与设计、优化时，仅仅对其对应的特征、参数完善。接着需要进一步修改与更新，即系统在VC++、Solidwork实时通信的基础上完成。

（3）重用设计知识。对于一部分知识需要用户重新组合或部分修改，从而形成新的设计或部件。

（4）为了应用与管理知识，需要借助数据库的知识库。对于采摘机械手虚拟设计与仿真系统，为了构建知识库而使用了数据库技术。

2.2 采摘机械手虚拟设计与仿真系统体系结构

对于采摘机械手，从虚拟设计、仿真系统分析，包括：机构的设计、误差的分析、双目立体的视觉、机械手的仿真、知识手册的模块等五个子模块。为了设计机构，往往从3部分进行，即底座、手臂、末端执行器等。而误差分析主要分析机构的误差、视觉的误差、关联的误差等。为了对物体进行识别和定位，需要使用双目立体视觉。对于机械手仿真，主要仿真正运动、逆运动的情况。其中，为了仿真正运动的情况，需要用户把每一个关节的具体值输入进去，让机械手自己依据预设的参数值来运动。反之，用户依据末端执行器所提供的坐标值，即在空间的位置，来算出每一个关节的具体值，最终促进机械手结合参数值来完成运动。

3 机械手虚拟设计、仿真系统的关键技术

3.1 总体的技术

对于机械手，在设计的时候，需要把其虚拟设计、仿真系统总体技术等结合起来，这样，使得系统的每一部分子模块的协调统一，实现了信息和资源的重用与共享。使用的技术有数字仿真、虚拟仿真与三维建模等而知识库管理的技术、系统框架搭建等技术，需结合这些技术于一起，借助VC++6.0平台完成与软件的相互通信，这些软件包括Matlab, EON, Solidwork, SQL等。而VC++6.0混编，需要与Matlab结合在一起，即在Matlab编译器下，构建一个动态链接库dll，第二步，在VC中被调用。通过添加EONX. eDrawings控件实现VC++6.0与EON. Solidwork的连接。

3.2 设计采摘机械手的机构

机械手的用途各不一样，其操作的对象也不一样，则其机构设计也不一样。比如，水果采摘机械手，每一个果实的生长位置往往不同，这样就需要机械手灵活把握。本系统以参数化为思想，从整体方案设计分析，包括三部分，即设计底座、手臂、末端执行器等。

3.3 在数据库的知识库的基础上完成构建与查询

知识库服务于某个或多个领域，其往往采用某种或多种方法，而在计算机存储器中完成存储、组织、使用、管理等，集中这些知识在一起。其体现了结构化的特点最终形成组织，这样在操作、管理等方面很有效。对于采摘机械手，在数据库知识库基础上构建其虚拟设计、仿真系统。在知识库的构建和管理中，使用了成熟的数据库技术。

在知识库中，往往把知识、数据库中的表建立在一起，即映射到关系数据库的表的一些情况，包括知识信息的属性、联系、规则。

（1）对于零件自身的属性，往往要描绘在数据表中。零件的属性，即材料、长度、厚度等，构成数据表中的字段部分，以SQL为代码，同时，零件的编号即ID，其值非零。

（2）对于零件与零件之间的关系，往往会反应在数据表中。有的部件，往往由十几个零件组成，有的是同种类型的零件，也有多部件组成。零件ID是数据表中的一个字段，而部件编号以主码ID为主。

（3）把部件与部件之间的联系映射在数据表中。在数据表中，其每一个字段往往由很多部件组成，主码被作为方案的编号使用，而每一种方案，均需要加一个权重分析。比如，用户一旦给与了不清楚的信息，就要这些不清楚信息与知识库中的知识进行比较分析，从而得出每一个特征参数的比值。针对知识库的知识，也要进行必要的修改、编辑，从而有效地对知识进行存取与搜索。所以，为了确保知识库具有统一性、完备性，需要数据库达到实体的完整，参照的完整、用户定义的完整等特点。

查询知识库主要查询数据库。在用户给出需求之后，知识库分析每一种方案的比重，即把数目大的一方给用户使用。接着，在总体设计的方案基础上，让用户分析每一个零件详细的设计环节中。一旦用户输入的参数与知识库中知识相矛盾，则系统会做出对应提示，使设计方案更加完善。

3.4 机械手虚拟设计与仿真系统的开发与实现

Matlab具有数值的运算功能；而EON具有仿真功能；SQL具有数据库管理技术；再有，结合参数化、知识重用等，可以在VC++6.0平台上，实现机械手虚拟设计与仿真系统，并开发了机械手物理样机，为了验证这些关键技术的意义，可通过仿真和实验样机进行。

总而言之，通过把智能、参数化的知识重用、虚拟仿真等技术结合在一起，就能够开发出机械手的虚拟设计、仿真系统。

[1]赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2013, 19(1): 20～24.

[2]王素博.国内外农业机器人的研究进展[J].农业机械化与电气化，2015, (2): 3～5.

[3]崔玉洁，张祖力，自晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析[J].农机化研究，2015, (2): 4～7.

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