六关节工业机器人工作空间及轨迹规划仿真

作者:李琚陈;曾谊晖; 刊名:食品与机械 上传者:王旭贞

【摘要】利用MATLAB软件对六关节工业机器人的工作空间进行虚拟仿真分析,并推导机器人的工作空间;采用五次多项式进行插值计算对工业机器人的轨迹进行规划,并运用MATLAB软件对工业机器人轨迹规划进行仿真分析。结果表明:六关节工业机器人的工作范围基本能够满足食品包装过程中的工作需要;6个关节的运动都很平滑,各个关节的角度、速度、加速度与时间的曲线比较连续,规划路线比较合理。

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(Anhui Wenda University of Information Engineering,Hefei,Anhui 231201,China)在现代食品工业体系中,食品生产过程的物料输送及包装过程是非常重要的环节,伴随着食品工业规模化发展,劳动力成本的不断上涨,以及食品安全对自动化、智能化生产的需求,工业机器人作为一种智能自动化装备在食品包装过程中具有举足轻重的作用[1-2]。工业机器人具有多自由度,能够在三维空间中实现多维运动,可以按照不同包装需求对预定对象进行工作[3-7]。由于其复杂的空间几何结构,运用理论分析很难对其运动学、动力学以及工作空间等特性进行计算[8]。虚拟仿真技术集人工智能、数值计算等先进技术于一体,能够快速地对机器人的运动等问题进行计算,并在计算机中形成图像演示,大大减少了计算时间,而且便于观察。国内外众多学者利用虚拟仿真技术对机器人进行了仿真分析。Li Jian-gang等[9]对工业机器人的避障运动进行了虚拟仿真。Liu Jia等[10]建立了受约束的工业机器人的动力学模型,并进行了虚拟仿真分析。与平面关节机器人、托盘关节机器人相比,六关节机器人具有更高的自由度,运动更灵活,工作范围大,在工业中应用更为广泛。六关节工业机器人对预定食品进行包装时,工作空间是衡量其性能的一个主要要素,机器人的工作空间分析可以验证机器人的工作空间范围;Ana M.Djuric等[11]对可重构机械有效工作空间进行了虚拟仿真分析,揭示了扭转角对有效工作空间的影响规律。Matteo等[12]通过引进一个电缆驱动系统增加了工业机器人在其工作空间内的灵活性。李超等[13]对机器人轨迹规划中关节空间轨迹的插值方法进行了深入研究。工业机器人末端的轨迹也是衡量机器人性能的一个重要指标,六关节工业机器人末端良好的运动轨迹使得机器人各个关节运动平稳。刘松国[14]研究了六自由度串联机器人的逆运动学及轨迹规划。马强[15]对六自由度机械臂进行了轨迹规划。机器人结构不同、尺寸存在差异,其工作空间、运动特性也将千差万别,工作效率也不同。基于此,本研究拟对六关节工业机器人的运动空间进行理论计算及仿真分析,以获得机器人末端的工作范围即机器人的工作空间。同时,对六关节工业机器人在其工作空间内的轨迹进行规划,旨在使机器人各个关节的运动连续,工作平稳。1六关节工业机器人模型六关节工业机器人主要由6个关节组成,包括腰部、大臂、小臂及手腕等。其外形图见图1,连杆参数见表1。图1六关节工业机器人的外形Figure 1 Shape of industrial robot with six joints表1工业机器人的连杆参数Table 1 Link parameters of industrial robot连杆变量θiαi-1/(°)ai-1di变量范围/(°)1θ1 0 0 0-160~1602θ2-90 0 d2-225~453θ3 0 a2 0-45~2254θ4-90 a3 d4-110~1705θ5 90 0 0-100~1006θ6-90 0 0-266~266a2=0.431 8 m,a3=0.020 32 m,d2=0.149 09 m,d4=0.433 07m;ai-1是从Zi-1到Zi沿Xi-1测量的距离;αi-1是从Zi-1到Zi绕Xi-1旋转的角度;di是从Xi-1到Xi沿Zi测量的距离;θi是从Xi-1到Xi绕Zi旋转的角度。1.1六关节工业机器人运动学分析机器人运动学分析主要是研究机器人各个关节与机器人末端执行器的坐标对应关系,工业机器人正

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