机器人作业

打磨机器人

0引言

二十一世纪以来，随着工业化程度的不断加深，工业自动化水平的提升，机器人技术逐渐被世界各国所重视。机器人技术被认为是对未来新兴技术发展具有重要意义的高新技术之一，更是作为中国实现从制造大国到制造强国不可缺少的技术支持。欧盟在第七次框架计划（FP7）中规划了“认知系统与机器人技术”研究、美国启动了“美国国家机器人计划”、日本发布了“新产业发展战略”明确了机器人产业为重点发展产业、韩国早在2009的《智能机器人》和2012的“机器人未来战略展望2022”中将政策的焦点放到了机器人产业上，我国在国家技术研究计划（863计划）、国家自然科学基金、国家科技重大专项等规划中对机器人技术研究给予了极大的重视。同时在十二五规划将服务机器人产业培育成我国未来战略性新兴产业作为目标，而且在刚为将中国从制造大国发展成制造强国而提出中的《中国制造2025》更是将机器人技术和高档数控机床一道作为大力推动的重点领域之一。由此看来，机器人技术是未来技术发展的方向，对国民经济发展的发展将有重大意义。

现代机器人的诞生和机器人学的建立是二十世纪以来人类科学史上一项重大成就，是科学技术向现实生产力转化的里程碑的产物，具有跨时代的意义。它融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到许多领域的前沿技术。机器人是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的一种机电一体化设备，特别适合于多品种、变批量的柔性生产，对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。自从二十世纪五十年代以来，机器人技术的发展已经经历了三个阶段了。第一阶段的机器人只能算是名义上的机器人，实际上只能算是一中复杂的自动化设备；到第二阶段的时候这些自动化设备具有了一定的触觉、听觉和视觉功能，这个时候才算是真正意义上的机器人的诞生。机器人发展到现在这个时候已经到了第三阶段——智能机器人的时代了。这些机器人特点主要体现在以下几点：1）适用性，能够很好的适用在各种环境下；2）专用性，特定的完成某一类生产任务；3）高精度高速度；4）模拟性，进行仿生研究；5）易操作更灵活，实现功能手臂的快速互换；6）易控制，通过结构设计简化控制；7）更加自动化，可以独自完成一整套任务。正是因为工业机器人这些特点，它们已经被广泛应用于汽车工业的电焊，弧焊、喷漆、热处理、搬运、装配、上下料、检测等作业，在物流、码垛、食品和药品生活家居等领域，工业机器人正逐步代替这人工所从事的繁重枯燥的包装、码垛、搬运、清扫等等的作业。

1课题背景

对金属器件进行打磨，打磨产生的金属粉尘会对身体产生巨大的伤害，如有毒粉尘和“尘肺病”等，甚至在一定条件下会产生一定的爆炸。因此传统的人工打磨作业引发的各种安全隐患以及高强度的工作特性，人们显然已经不适合企业的长远发展。抛光打磨机器人的出现让人们看到了曙光，它能够代替人们从事这些高强度和危险的工作。此外机器人还能突破人工打磨的局限，实现对打磨工件的一致性，而且机器人的工作效率更高，质量更好，还能很好的避免操作者受伤，甚至完成很多手工无法完成的打磨和抛光工作，特别是对各种规格，各种复杂形

状以及自重比较大的钢类铸件进行打磨。国外在很早就开始运用打磨机器人了，国内在近几年还开始重视和发展，目前在汽车零部件、、卫浴、五金行业、家电行业、工业零部件、医疗器械等行业已经有比较成熟的应用。但是相对于焊接、搬运、喷涂、码垛等机器人应用规模还比较小。国内市场上现在的打磨机器人都是主要是对单一类大批量的打磨机器人，针对小批量柔性、可加工多个类型的打磨机器人国内还比较少。因此对这类机器人还是有比较好的发展前景。

2 机器人的运动学分析

该机器人是有七个自由度的关节机器人，它的结构如上图所示。所有关节部分均为转动关节。从理论上来说，只需要六个只有度的就可满足要求，但是考虑到为了保证在打磨中保证转动，不对机器人的末端运动产生影响，故设置了第七个关节。也是因为这个原因我们在做动力学分析的时候只需要建立前六个关节的动力模型就可以了。本次研究按照D-H方法建立其连杆的坐标系，如图所示。

(一)机器人正逆运动学分析

1）运动学正解

D-H参数表如表1所示。根据连杆坐标系和D-H参数表，机器人运动学方程可描述为：

将表1中的连杆参数代入到式（1，2）中，得到机器人末端相对于基座坐标系的位置矩阵。同时，末端在基座标下的位姿亦可以表示为

式中：

2）运动学反解

进行几次矩阵反解求出θ的值（具体求解过程参考参考文献[1]）：

至此，6个关节的逆解均已求出，θ

1、θ

2

以及θ

5

有两个解，而θ

3

、θ

4

、

θ6具有一个解。因此满足Pieper准则的机器人最多有8组解，但是受关节转动范围的限制，某些解是伪解，是不可以实现。

(二)雅可比矩阵求解

在进行打磨控制和操作的时候不可避免的要涉及到机械手臂和姿态的微小变化。这些变化可以用机械位置的齐次变换矩阵的微小变化来表示。这些微小变化在数学上可以用微分来表示。机器人动力学中引入雅可比矩阵来表示机器人各连杆随时间变化的几何关系，可以将单个关节在极短时间内的运动转化为机器人操作臂某点的运动，即将单个关节的运动与整个机构的运动联系起来。具体的雅克比矩阵求解过程可以参考参考文献[1]。

3机器人的动力学分析法的选择

目前对机械臂进行动力学分析的方法研究很多，并且比较成熟，因此有很多方法可以用来进行动力学分析，例如牛顿-欧拉公式法、拉格朗日公式法、高斯法、阿佩尔方程式以及旋量对偶法和凯恩法等，其中旋量法计算量较大，计算效率比较低，凯恩法计算速度快，但是适用范围较窄，只适用一些特殊型动力学运算。牛顿-欧拉公式法跟拉格朗日公式法适用于任意的自由度，不具有连杆连接特殊结构的一般操作臂，适用范围广，因此是目前最常用的操作臂分析方法。这两种算法中拉格朗日法的运算量明显大于牛顿-欧拉法，但是可以用比较简单的方式进行复杂的动力学方程，而且可以进行递推计算法；牛顿-欧拉法运算量虽小可以直接到处动力学递推算法，但是不能直接获得动力学方程的解析形式，不便于获得机器人动力学分析的整体概念。因此这里旋转使用拉格朗日法，对于运算我们可以借助MATLAB进行计算以减少运算的任务量，具体分析方法，见参考文献[1].

4机器人路径规划方法的选择

机器人路径规划方法分两类，一类是传统路径规划法包括自由空间法、图搜