真空并联机器人轨迹规划仿真

作者:黄玉钏;曲道奎;徐方 刊名:计算机仿真 上传者:周丽雯

【摘要】为了实现FROG-LEG型真空并联机器人准确经过多个中间位姿点的路径规划,研究了类机器人NURBS曲线路径规划的关键问题。通过建立FROG-LEG型并联机器人等效的串联运动学模型,获得了机器人运动学的正反解,在运动学基础上设计了该类机器人基于NURBS曲线的路径规划方案。通过Matlab的robot tool工具箱,进行了FROG-LEG型真空并联机器人运动学和路径规划的仿真。仿真结果证明,路径规划方案可以很好的让机器人通过中间插补位姿。从而从理论上解决了FROG-LEG型真空并联机器人路径规划中需要精确经过多个插补位姿的难题,并为实现FROG-LEG型真空并联机器人采用NURBS曲线轨迹规划提供理论依据。

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1引言在集成电路制造业中,硅片需要在生产线上不同的工艺加工模块之间进行高效的传输和定位,真空并联机器人正是完成这一任务的关键装备之一,是符合集成电路工艺精度和净化要求,具有高精度、高效率、高洁净度和高可靠性的半导体自动化专用机器人[1,2,3]。机器人搬运硅片可以看成是从初始位姿到终止位姿的轨迹规划,常用的轨迹规划方法有:3-4-5正则多项式;4-5-6-7正则多项式;摆线运动与抛物线拟合的线性函数等[7]。4-5-6-7正则多项式相对3-4-5正则多项式的优点是可以保证加速度的变化没有急动;摆线运动与抛物线拟合的线性函数方法对要求通过中间位姿的情况处理起来较为复杂。当机器人要求通过中间位姿时,大多采用高阶正则多项式,Kahaner,Moler和Nash等指出中间位姿数量增加时这种采用多项式插值的方法变得不切实际,这时因为中间位姿的增加会使得正则多项式的次数增加,多项式系数的方程组的条件数变大,相对舍入误差等于舍入误差乘以一个放大系数方程组条件数,从而方程组的解失真。本文研究的NURBS样条函数可以提供稳定的插补框架,而真空机器人对稳定性要求较高,且需要准确通过一些中间位姿[8]。针对FROG-LEG型机器人结构特点和路径规划问题,本文给出其等效的串联运动学模型,并设计一种基于NURBS曲线的路径规划方案,最后仿真证明本方案的有效性和优越性。2运动学建模图1是一台安装在集束型加工平台中的真空并联机器人。图2是该类机器人的外观图。该类机器人具有类似于蛙腿的对称双连杆结构,所以又称FROG-LEG型机器人。FROG-LEG型机器人与串联结构的机器人相比具备以下几个方面的优势[4,5,6]。1)并联结构的机器人其末端执行器可同时由两根杆件支承,其机械刚度大,在相同自重或体积下有更大的承载能力。使用并联结构的真空机器人能够解决现代半导体行业中由于硅片半径增加而导致的机器人承载力不足的问题。2)并联结构的机器人末端执行器位置误差小,不存在多个关节误差的连续积累和放大。3)并联结构的机器人比串联结构的机器人更容易实现运动学反解的实时计算。如图2所示,FROG-LEG型机器人手臂为对称双连杆的并联结构,包括一对大臂和两对小臂,两个电机分别通过两个同轴的旋转轴连接大臂,大臂末端通过4个旋转轴连接尺寸相同的两对小臂,两对小臂的末端又分别通过两个旋转轴连接硅片托持器。FROG-LEG型真空机器人运动方式包括:旋转运动:实现机器人手臂整体顺时针或逆时针的旋转运动;伸缩运动:由大臂的运动带动两个小臂实现机器人手臂的伸缩运动;升降运动:通过升降伺服电机实现机器人整体的升降运动。运动学模型的建立需要分两步,第一步是建立水平对称连杆各旋转关节与末端硅片托持器伸缩位移的对应关系,即水平对称连杆的运动学模型,第二步是在第一步基础上建立整体真空机器人等效的串联结构运动学模型。2.1水平对称连杆运动学图3中粗实线表示两个大臂OAC和OEG,细实线表示4个小臂AB、CD、EF和GH。每个大臂均连接两个小臂,OAC连接的小臂为AB和CD,OEG连接的小臂为EF和GH,点B、D、F、H与X轴的距离恒为k。当一对小臂伸出时,另一对小臂缩回并附在大臂旁边跟随其一起运动。Bx表示机器人硅片托持器X轴方向移动的位移,根据真空机器人水平连杆结构的几何关系可得式(1)。图3对称双连杆坐标系定义Bx=l1c1+l2c12k=l1s1+l2s12{=1+2(1)其中l1和l2分别是机器人大臂连杆一侧OA和小臂连杆AB的长度,1和2分别是这两个连杆的关节角,为机器人两个关节角1和2之和,求解式(1)可以得式

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