一種抓取圓棒取料手的機械設計-關節(jié)型工業(yè)機械手含開題、SW三維仿真及8張CAD圖
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外文出處: 2020 J.Phys.:Conf.Ser. 1574 012156 六自由度機械手的路徑規(guī)劃仿真Junhao Zhang, Xingbo Yang, Yawei Li and Ningbo ZhangCollege of Mechanical and Electrical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou, ChinaCorresponding author e-mail: 728589910qq.com摘要:隨著制造業(yè)自動化和智能技術的發(fā)展,工業(yè)機器人已成為智能化工廠的重要組成部分。在實際應用中,所實現的所有功能均由機械手實現。事實證明,合理的機械手路徑規(guī)劃有助于減少機械零件在運行過程中的損失和沖擊,大大提高機械手的使用壽命,也有助于提高機械手的控制精度。本文以六自由度機械臂為研究對象,設計了該機械臂的運動路徑規(guī)劃方案,并通過PVDF材料動態(tài)仿真實驗進行了驗證。 結果表明,本文設計的機械手運動路徑比最短路徑抓取材料所需的時間更少,操作精度更高。關鍵詞:機械手;動態(tài)仿真;運動路徑1. 引言近年來,隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”計劃的提出,制造業(yè)正朝著智能化發(fā)展。工業(yè)機器人已成為現代智能工廠中不可或缺的設備,主要適用于快速,準確和重復的工作。機械手的軌跡決定了生產和制造的質量。為了使機器人在未知的工作環(huán)境中按預期方式運動并高效穩(wěn)定地完成工作,需要提高機械手的操作精度。本文以六自由度操縱器為研究對象,并利用MATLAB軟件對其運動路徑進行了仿真規(guī)劃研究。2. 六自由度機械手的運動學分析在機械手的正向和反向運動期間,坐標系會發(fā)生變化,因此有必要沿X軸和Z軸執(zhí)行旋轉,平移和其他處理,以獲得新的坐標系并使用齊次變化矩陣來求解。 以下是從Oi-1 坐標系到Oi 坐標系的轉換,轉換順序如下:(1) 以為軸旋轉坐標系,旋轉角度為,且X軸方向變化前后保持不變;(2) 以為軸進行坐標系平移處理,移動距離為,X軸方向不變前后保持不變; (3) 沿軸方向平移,移動距離為 ,Oi-1坐標系的原點與Oi 坐標系的原點重合; (4) 坐標系以為軸進行旋轉,旋轉角度為,Z軸方向變化前后保持不變。按照上述步驟進行處理后,將Oi-1坐標系轉換為Oi 坐標系,得到的齊次變換矩陣如下: (1)本文研究的六自由度機械手的D-H參數如表1所示。表1.機器人機械手的D-H參數關節(jié)數量190160020350039013004-90042559000600133.5將表1中的參數代入齊次變換矩陣,計算相鄰關節(jié)變換矩陣的乘積,得到機械手的前向運動值。 (2)逆向運動解的原理與正向運動解的原理相同。通過坐標轉換處理,將參數值代入得到,這里不再贅述。3. 機械手的軌跡規(guī)劃機械手的軌跡規(guī)劃可以以起點和終點運動形成的關節(jié)角為分析對象,通過構造插補函數展開描述。例如,設置四個約束條件來約束關節(jié)運動的起點和終點,以保證形成的軌跡是連續(xù)的。一般使用下面的三次多項式來描述。 (3)推導式(3)可以得到機械手運動的速度和加速度,將得到的結果代入初始條件,得到各參數值,從而得到運動軌跡函數。三次多項式軌跡規(guī)劃相對簡單,適用于工件夾持方式相對單一的情況。由于某些工程加工制造涉及的工件類型較多,本文研究了機械手關節(jié)空間的運動軌跡,介紹了擺線曲線規(guī)劃方法,針對較復雜的工作條件規(guī)劃了空間運動軌跡。該規(guī)劃方法生成的運行軌跡相對穩(wěn)定,不存在抖動。在有限的區(qū)間內,如果目標點在終點位置,得到的加速度和速度均為0,大大降低了軌跡規(guī)劃的難度。重點規(guī)劃對象是起點和焦點,減少了中間運動過程的規(guī)劃。4. 六自由度機械臂PVDF桿抓取運動路徑規(guī)劃的仿真實驗本文以PVDF抓桿運動為例,對機械手運動路徑規(guī)劃進行了仿真實驗研究。根據棒材制造和搬運的要求,設計了物料搬運任務,明確了機械臂夾持運動任務,規(guī)劃了運動路徑,并在搭建的仿真平臺上對機械臂的運動路徑進行了仿真。通過觀察仿真結果,判斷路徑規(guī)劃方案能否有效控制機械手的操作,完成抓取物料的任務。4.1抓取任務在本次仿真實驗設計中,部署了抓取單個目標材料和抓取多個目標材料兩種抓取任務,并采用“最短路徑”方法作為對照組。(1) 單目標材料抓取任務選擇PVDF桿作為抓取目標材料,分別將材料懸掛到10個不同的位置,固定機械手的空間位置,模擬機械手抓取這10個目標材料所花費的時間。(2) 多個目標物料抓取任務選擇PVDF桿作為抓取目標物料,機械手的空間位置固定。設計了五套測試實驗。材料個數依次為2、3、4、5、6,模擬測試單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。4.2運動路徑規(guī)劃在PVDF桿的加工制造過程中,機械手可能面臨多重抓取任務。為了提高機械手的操作效率,需要保證關節(jié)角加權值為最小10。因此,實驗路徑規(guī)劃基于關節(jié)角加權最小的原理,設計相應的運動路徑函數。用數學語言描述PVDF棒材加工制造機械手的運動:若機械手在執(zhí)行抓取任務時處于位置,則需要抓取的物料個數為n,放置物料的空間位置分別標為,計算六自由度關節(jié)空間變量,根據機械臂能耗最小的原則,規(guī)劃抓取順序,并按照抓取順序完成所有物料的抓取。最優(yōu)抓取路徑的生成以機械臂的旋轉角度總和最小為前提,得到單關節(jié)時間消耗和能量消耗最小的目標函數。忽略其他因素,能量消耗最小耗時最小,多個關節(jié)完成抓握操作累積耗時結果11。以下是抓取路徑規(guī)劃的最佳功能: (4)式(4)中,P為目標函數,即反應能量消耗;n為通過的空間點個數;m為節(jié)點個數;4.3實驗平臺在本次實驗研究中,搭建實驗平臺如圖1所示。然后構造機械手的坐標系,確定機械手與坐標系的相對位置;將物料懸浮在不同位置,利用MATLAB平臺對機械手抓取物料的情況進行測試和仿真。圖1所示:實驗平臺4.4仿真結果分析在本次仿真測試與分析中,將機械手應用于單PVDF抓料環(huán)境和多抓料環(huán)境,測試機械手抓取運動路徑規(guī)劃方案的可靠性。將機械手放置在初始位置,用纜繩懸掛PVDF桿料,根據第五關節(jié)分割方法計算抓取物料的姿態(tài),沿上述運動路徑完成抓取作業(yè),并在仿真界面上生成耗時的抓取物料數據。(1) 單次PVDF材料抓取模擬試驗本實驗將材料放置在不同的空間位置,測試機械手是否能夠準確抓取材料,并測試每次抓取材料的時間和10個實驗材料的平均抓取時間。表2為單次PVDF抓料模擬測試結果。表2 PVDF單片材料抓取仿真測試結果測試材料的位置(m)是否抓取抓住時間(s)測試材料的位置(m)是否抓取抓住時間(s)1(0.61,0.31,0.50)是27.36(0.31,-0.3,0.69)是25.72(0.49,0.31,0.52)是25.57(0.41,-0.24,0.6)是21.63(0.22,-0.5,0.49)是22.28(0.21,0.49,0.60)是27.94(0.59,0,0.64)是24.69(0.11,-0.49,0.7)是23.65(0.21,0.59,0.39)是28.610(0.40,0.49,0.49)是27.8根據表2的統計結果可知,本研究設計的機器人抓取物料運動路徑能夠準確抓取物料,耗時范圍為21.6s 28.6s,平均時間為25.48s。因此,本研究方案滿足了制造過程中單個工件的抓取。(2) 多PVDF材料抓取模擬試驗對于多材料抓取模擬實驗,也選擇“最短路徑”法作為對照組。隨著材料數量的增加,比較觀察單個PVDF材料的平均抓取時間和平均抓取時間。結果如表3所示。表3 多個PVDF材料抓取仿真測試結果PVDF材料數量單種PVDF材料平均抓取時間(s)平均抓住時間(s)本文的研究方法“最短路徑”的方法本文的研究方法“最短路徑”的方法2個19.2419.2438.638.63個18.5818.6655.756.14個17.2417.5669.170.35個16.3916.8581.984.36個16.2116.5797.299.4通過對比統計結果在表3中,可以看出機械手的抓取動作的時間路徑提出了研究是相對較短的,和一個PVDF材料的平均把握時間或增加的材料數量小于“最短路徑”的方法。為了挖掘本研究提出的機械手抓取物料的特性,將本研究機械手抓取路徑耗時數據單獨統計并繪制成圖,如圖2所示。圖2 機械手抓取物料的時間與時間增加的關系在圖2中,橫坐標表示PVDF材料的數量,值為1,2,3,4,5,6,縱坐標表示單個PVDF材料的平均拾取時間。從圖2的曲線趨勢可以看出,隨著PVDF材料數量的增加,機械手抓取單個PVDF材料的時間逐漸減少。當抓料個數達到5時,耗時曲線逐漸趨于平緩,變化不大。因此,在本研究中,機械手抓取5-6 PVDF材料時具有較高的效率。當材料數量較少時,本文設計的運動路徑的優(yōu)勢不明顯。在實際應用中,需要根據實際情況設計機械手的運動路徑。5. 結論本文對六自由度機械手進行了運動學分析,規(guī)劃了機械手抓取工件材料的運動路徑。仿真測試結果表明,當需要抓取的材料較多時,本研究規(guī)劃的運動路徑所花費的時間比“最短路徑”運動路徑所花費的時間要少。隨著抓料數量的增加,平均耗時更少。當抓取物料數量達到5個時,機械手抓取物料的時間不再減少。
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