四自由度混联码垛机器人运动学分析与仿真.pdf

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1、462011年12月中国制造业信息化第40卷第23期四自由度混联码垛机器人运动学分析与仿真李传龙，郭钢，朱海宁(南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094)摘要：以四自由度混联码垛机器人为研究对象，介绍了移动关节与回转关节组合式串并联的混联机器人机构特点，分析了该机器人的运动学特征，求出了其位置正反解析解，利用运动影响系数矩阵对其速度进行了系统研究。最后应用Pro／E软件建立了该机器人的三维实体造型，并用ADAMS软件进行了运动学仿真验证。关键词：混联码垛机器人；运动学分析；运动学仿真中图分类号：THll3文献标识码：A文章编号：167

2、2—1616(2011)23—0046一O4近年来，随着机械自动化水平的提高，码垛机1四自由度混联码垛机器人结构介绍器人以其在机械结构、适用范围、灵活性、成本以及四自由度混联码垛机器人的结构如图1所示，维护等方面的优势，使其应用渐为广泛，并成为一其机构运动简图如图2所示。种发展趋势⋯1。对于串联结构或者并联结构的码腕部平垛机器人运动学分析在很多文献中都有所讨论，而对于混联码垛机器人的运动学分析未建立完整的运动学方程【2j。由于在混联码垛机器人中，不仅包含串联结构，而且还包含并联结构，难以用一般的D—H建模方法直接建立其运动学方程，因此有必要

3、对其建模方法进行深入研究。图1四自由度混联码垛机器人图2机构运动简图及D—H坐标系该混联码垛机器人主要由底座、焊接架、臂部个臂部的支撑，其上安装有一个水平滑块和一个竖和腕部组成。底座为整个机器人本体的基础，通过直滑块，其中：水平滑块与前大臂下端铰接，为臂部一个轴线垂直于地面的旋转关节与焊接架联接。提供水平驱动力；竖直滑块与后大臂下端铰接，为臂部主要包括前大臂、后大臂和小臂。焊接架为整臂部提供竖直驱动力。前大臂和后大臂由大臂连收稿日期：2011—05～17作者简介：李传龙(1988一)，男，江西吉安人，南京理工大学硕士研究生，主要研究方向为混

4、联机器人及机构优化设计。·现代设计与先进制造技术·李传龙郭钢朱海宁四自由度混联码垛机器人运动⋯⋯47杆铰接，前大臂、后大臂相互平行，大臂连杆与小臂A2Bt：b，BIB2=AlB3=l1，B3B4=Z2，水平滑相互平行，四者构成一个平行四边形机构，这样不块A1的水平坐标用XA表示，竖直滑块A2的竖直仅增加了整个臂部的刚度，而且具有行程放大功坐标用ZA：表示，由图2分析可得到以下关系式：能。整个并联结构是该机器人的关键部分，各连杆XB4参数的选择及其安装的相对位置将直接影响机器．+11006(口1+人的工作空间范围。腕部与臂部由一个转动关节联接

5、。腕部为一b+llSin(a1+a个法兰盘，可以根据码垛物品的外形，在法兰盘上1联接不同形式的夹持器。另外，为了便于物品的码当：ll12=：=∞放，在臂部和腕部设计了腕部平动保持机构，该平一()动保持机构由2个串联的平行四边形组成，其下端将式(2)整理后代人式(1)可得：与水平滑块固定连接，从而保证机器人在运动过程PE(p+1)XA1+Hw—HB]cosO1中，腕关节的旋转轴线始终垂直于地面，使被抓持pE(p+1)XA1+Hw—HB]sin01(4)物品处于水平状态，简化了码垛任务的姿态规划和Pz(+1)b—PZA2+B—Vw—b姿态控制，

6、缩短了码垛工作周期l_3』。11假设要求码垛机器人末端坐标系X5O5相2四自由度混联码垛机器人位置分析对于基坐标系x0o0zo的转角(绕z0)为』9，则有2．1码垛机器人位置正解=0l+05(5)首先建立整个码垛机器人的D—H坐标系[4_，式(4)和(5)即为该混联码垛机器人的位置正解。如图2所示，相对应的D—H参数见表1。通过以上分析可知，当机器人结构尺寸满足式表1码垛机器人D—H坐标系参数(3)条件时，机器人末端法兰盘的位置是由焊接架i口(f一1)a(i一1)d0的旋转关节变量01、并联机构移动关节变量．和．决定的，其姿态是由焊接架的旋

7、转关节变量0和腕部的旋转关节变量决定的。也就是说，在机器人执行码垛任务时，通过控制臼1，．和ZA，实现被码放物品的位置定位，通过控制01和05协同完成被码放物品的姿态定位，且焊接架旋转关节由相邻坐标系的变换矩阵可建立混联码垛机01和腕部旋转关节轴线平行，故非常易于控制。器人的运动方程为：2．2码垛机器人位置反解azPz由式(4)和(5)可得：aPyOT5：0T11T22T33T45=az夕XA=00ZA：=坐出(6)(1)其中：，z=COS(01+05)；T／=sin(01+05)；=1arctan0；Ox=一sin(0l+05)；os=c

8、os(01+05)；O：0；Pxa=0；a=0；a=0；P=(xB+Hw—05=卢一01(7)HBCOSO1；v=(XB+Hw—HB)sin01；P。=式(6)和(7)即为该混联