基于虚拟样机技术的冲压机器人运动学分析与仿真

刘会祥， 苏春建

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

基于虚拟样机技术的冲压机器人运动学分析与仿真

刘会祥， 苏春建

（山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266590）

根据冲压过程的特点，设计开发一种结构简单的冲压机器人。通过D-H法分析对其连杆参数利用三维实体软件与虚拟样机技术联合进行运动学仿真。为使其在运动过程能够平稳，规划其运动轨迹，使用了Step5阶跃函数编程。通过仿真得出其各个关节变量的位移，速度和加速度运动曲线，为冲压机器人的设计、优化与运动控制提供了参考数据。

冲压机器人；虚拟样机；运动学；仿真

0 引言

国内外工业机器人技术已经比较成熟，应用在冲压自动生产线上的冲压机器人得到越来越广泛的应用。但冲压工作空间有限且冲压件较大时，需要考虑到冲压件与机械本体和冲压设备发生碰撞等问题。通常解决的办法是利用6自由度操作臂的灵活性等特点，工件旋转以避免发生碰撞，但工件在旋转过程中会发生抖动现象，影响冲压精度。解决以上问题一般采用的方法是配有旋转七轴、Knuckle Bar System、Flex Crossbar等辅助技术。虽然能按冲压要求完成工作，但增加了结构的复杂性。为了有效解决此类问题，本文提出了一种结构简单的圆柱型操作臂，建立了运动学分析模型，并利用虚拟样机技术对其运动学仿真，为冲压机器人的设计、优化提供参考数据。

1 冲压机器人结构设计

为简化冲压机械人的本体结构，本文设计一种应用于冲压自动生产线的专用冲压机器人。在冲压生产线上冲压机器人的主要作用是完成上下料，一般而言是利用安装在机械末端的吸盘（真空式或电磁式）从传输带上抓取冲压件到冲压设备，或者是从上一工序的冲压设备到下一个工序的冲压设备。而圆柱坐标型操作臂在实际应用中较广，适用于搬运工件，具有直观性好、结构简单、本体结构占用空间小但动作范围较大等优点。所以选用5自由度的圆柱型操作臂能够满足冲压生产线的要求。为使整个机械本体结构更紧凑、平衡性更合理，本设计选用Rz-Px-Rz-Px-Rz型，其三维简图如图1所示。

图1 冲压机器人三维示意图

5自由度圆柱坐标式机械手主要有以下5个动作：1）手臂水平回转；2）手臂前后伸缩；3）手臂上下运动；4）手臂回转运动；5）末端回转运动。分析5个动作可知完全能够适应冲压上下料的要求。

2 冲压机器人运动学

2.1 运动学正解

图2 冲压机器人连杆坐标系

运动学正解的内涵是已知连杆关节变量，求出末端坐标系的位姿。通常利用D-H表示连杆坐标系之间的关系,如图2所示，得出连杆坐标系以及连杆之间的参数，如表1所示，可以求得各个连杆的变换矩阵。

表1 冲压机器人连杆参数

将表1中的参数带入得出各个连杆的变换矩阵：

其中cθi＝cosθi；sθi＝sinθi，若将各个连杆变换T（i=1，2，…，5）按照连接顺序依次相乘，可得其连杆变换矩阵：

利用MATLAB可得运动方程正解：

式（3）中前三列表示末端坐标系相对于基坐标系的姿态，后一列表示末端坐标系相对于基坐标系的位置。

2.2 运动学逆解

所谓运动学逆解是指已知末端坐标系的位姿得出各个关节变量。求解运动学逆解的方法有许多，通常可以概括为两类：封闭解和数值解。由于许多复杂机器人在求解的过程可能无解或者存在无数个解，所以运动学逆解称为机器人运动学中的难点。

对于冲压机器人，由于结构简单，求运动学逆解的过程较为简单。另外对运动轨迹要求不高，在其运动轨迹上可以取有限个点进行运动学逆解，得出其对应的关节空间中的值。其整个运动过程如图3所示。

图3 冲压运动过程示意图

3 虚拟样机运动仿真结果与分析

3.1 虚拟样机技术

虚拟样机技术是以虚拟样机为核心、仿真为方法的一种数字化设计方法和手段。应用在机械系统设计方面的虚拟样机的软件主要是ADAMS。ADAMS是集建模、计算以及后处理于一体的仿真软件，应用范围十分广泛。

ADAMS中三维实体建模相对薄弱，通常是利用专业的CAD软件与ADAMS联合建模。即利用CAD软件（如Pro/E，SolidWorks等）建立三维模型，然后导入到ADAMS中去。本文利用三维软件Pro/E建立模型，存为.x_t格式的文件，直接导入到ADAMS中去，然后在ADAMS中对模型添加约束以及驱动。

3.2 运动学仿真

在ADAMS运动学仿真中有许多驱动函数，如Step阶跃函数、Cubspl函数、Akispl函数等，各类函数各有其特点。在冲压过程需要知道其重要的结点，如起始点、提升点、下降点、终止点，另外,为使运动轨迹收敛还需在运动过程选择几个路径点。Step阶跃函数符合其运动特点。Step3阶跃函数是利用三次多项式逼近海赛（Heaviside），定义为：

其中：x为自变量；x0为阶跃函数起始点自变量值；h0为阶跃函数起始点函数值；x1为阶跃函数终止点自变量值；h1为阶跃函数终止点函数值。

但Step阶跃函数有其不可避免的缺点，即阶跃函数有连续的一阶导数，但在起始点二阶导数不连续。映射到运动轨迹规划中的影响就使其加速度不连续，造成机械结构的振动，使运动精度不高，减少使用寿命。所以根据以上讨论，选用Step5阶跃函数。Step5阶跃函数的意义与Step函数相同但有连续的一、二阶导数，所以在运动轨迹中其加速度是连续的。对各个关节施加Step5函数，得出其各个关节变量值的位移、速度、加速度与时间之间的运动曲线，仿真结果如图4～图6所示。

图4 各个关节位移曲线图

图5 各个关节速度曲线图

图6 各个关节加速度曲线图

从所仿真结果可以得出，能够按照预先设定的过程进行运动，利用Step5函数编程，其各个关节的速度、加速度连续，平滑,减少了在运动过程中的振动，提高了运动精度，也能够延长机器的使用寿命。

4 结 语

为简化冲压机器人的机械结构，选用5自由度圆柱型操作臂，并对其建立连杆坐标系，利用D-H法得出其连杆参数，讨论其运动学方程的正解与逆解。根据冲压过程的运动特点，在ADAMS中运用Step5阶段函数编程进行运动学仿真，可以获得准确的运动学性能，为冲压机器人的设计、优化与运动控制提供了参考数据。

［1］ 熊有伦.机器人技术基础［M］.武汉：华中科技大学出版社，1995.

［2］ 贾长治．虚拟样机从入门到精通［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］ 朱华炳，张娟，宋孝炳.基于ADAMS的工业机器人运动学分析和仿真［J］.机械设计与制造，2013（5）：204-207.

［4］ 袁安富，薛金吉．基于ADAMS的机器人性能分析和仿真［J］．制造业自动化，2011（8）：85-89．

［5］ 张志强.大型机器人冲压线上下料技术研究［D］.秦皇岛：燕山大学，2012.

［6］ Makoto Mizukawa.Robot Technology（RT）Trend and Standardization［C］.2005 IEEE Workshop on Advanced Robotics and its Social Impacts，Nagoya，Japan，2005：249-253.

［7］ 陈立新.工业机器人在冲压自动化生产线中的应用［J］.机械设计与制造，2010（10）：94-96.

（编辑立 明）

Kinematical Analysis and Simulation of Stamping Robot Based on Virtual Prototype Technology

LIU Huixiang,SU Chunjian
（College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao266590,China）

A stamping robot which has simple mechanism is designed according to the characteristic of stamping process.Linkage parameter is analyzed using D-H method.Kinematical simulation is carried out through the alliance of three-dimension solid software and virtual prototype technology.In order to realize smooth and steady motion,its motion curve is planned,step5 function is used to programme.Motion curve of displacement,velocity and acceleration of each joint variable,are obtained to provide reference data for the design,optimization and motion control of stamping robot.

stamping robot;virtual prototype;kinematical;simulation

TP 242

A

1002－2333（2014）05－0090－03

刘会祥（1987—），男，硕士研究生，研究方向为机器人技术及自动化；苏春建（1980—），副教授，硕士生导师，研究方向为冲压工艺及智能化研究、机电一体化。

2014-03-03