四自由度机械手模型建立与软件仿真探究

摘要：机械手是物流与仓储行业、机械制造行业等常用的自动化机械设备，能够依照设定的程序自主完成货物从一个地方搬运到另一个地方，具有效率高、精确度高等优点。四自由度机械手工作过程中对各个关节节点的位置状态控制难度较大，为此，对四自由度机械手D-H进行模型建立，通过MATLAB计算机仿真模拟软件建立机械手模型，采用关节空间以及笛卡尔空间的规划两种方式验证机械手末端轨迹满足设计要求。

关键词：四自由度;机械手;模型;仿真

0  引言

随着现代社会经济的快速发展，物流与仓储行业、机械制造行业、电子行业以及轻工行业等不断发展，而码垛技术作为一种现代化技术，在工作方式和思维上进行了创新，在这些行业中发挥着重要的作用。现阶段，许多专家与学者针对码垛机器人进行了大量的研究工作，主要集中在码垛机器人运行过程的平稳性与效率性，采用设定的速度进行搬卸货物，不会出现较大的速度波动，确保搬卸的货物都能够安全的抵达制定的地点，在遇见障碍物时还要能够自行躲避，所以必须要认真分析和研究机器人的运行轨迹，得到科学、合理的设置与规划[1]。然而，机器人所牵涉的领域非常广泛，比如说控制学知识、机械知识以及电气知识等，综合难度较大，对其进行运动轨迹建模与仿真非常重要。MATLAB是常用的计算机仿真模拟软件，通过自带的Robotics Toolbox插件能够复杂完成机械手的控制、轨迹规划等设定，也可以对机械手进行建模并模拟，为工业机器人的不断创新发展起到了较好的推动作用。

1  四自由度机械手D-H模型建立

机械手的运动轨迹主要由多个刚体通过关节相互连接形成的一个完整的运动链，一般情况下将这些刚体叫做连杆[2]。连杆的主要职责是确保连接的两个节点能够以特定的关系进行运动。任何一个连杆的运动都受到两个参数的约束，分别为公共法线距离αi-1以及和αi-1所在面成90°夹角的两轴线角度αi;对于每个连杆两端节点的运动关系，主要受到以下两个数值的影响，分别是相邻杆的相对位置di以及相邻杆之间的法向夹角θi[3]。利用D-H模型对机器人的各个连杆以及节点处进行模型建立，同时针对每一个连杆创建相应的坐标系，通过齐次变换的方法来准确、形象的表现各个坐标系的相对位置与情形。

如图1所示为某个四自由度机械手各个连杆的关节坐标系模型示意图，表1为相应连杆的D-H参数。

2  基于MATLAB软件的运动学仿真

通过建立机械手的运动学仿真模型，可以很形象的查看到机械手的运动轨迹，也有助于设计人员准确观察各个连杆关节位置的方位、速度以及加速度等，有利于加强对机械手运动情况的管控。

2.1 机械手模型建立

通过MATLAB三维仿真模拟软件，利用其自身包含的Robotics Toolbox插件功能，以link（）以及robot（）函数为基础创建机械手模型，根据表1中各个连杆关节的数据，实现机械手模型建立的指令为[4]：

2.2 轨迹规划与模拟

机械手轨迹规划方式通常分为两种形式，分别是关节空间以及笛卡尔空间的规划，这两种空间规划方式都有着自身的优势与缺点，在进行机械手轨迹规划时必须要深入分析这两种空间规划方式[5]。关节空间规划的操作方式比较简便，计算复杂度较低，并且不会产生奇异位形的现象，然而这种规划方式不能够清晰的显示出机械手末端的运动轨迹，导致末端关键的运动轨迹较为模糊;笛卡尔空间规划方式运算量较大，对计算人员的要求也较高，同时有较大概率出现奇异位形的现象，然而这种规划方式能够得到精准的机械手运动轨迹，可以将运动细节清晰的显示出来[6]。比如说在使用关节空间规划方式时，设定机械手完成一个动作的周期为4s，相邻采样时间为73ms，基础关节值为qz=[0 0 0 0];结束关节值为qr=[pi/2 pi/3 pi/4 pi];通过这些参数的设定，将其带入到MATLAB计算机仿真软件中，通过指令q=jtraj（qz，qr，t）获得每处关节的位置、速度以及加速度实时曲线图。

通过关节空间规划以及笛卡尔空间规划两种方式进行机械手运动轨迹模拟，从实际的模拟结果来看，四自由度机械手各个关节位置能够正常运行，同时机械手末端的运动轨迹与设计符合设计要求，能够按照既定的路径进行运动。

3  结语

机械手是我国现代机械自动化领域的重要研究方向，机械手能够替代工人完成各种高负荷的工作，提高生产线的工作效率与准确性。利用MATLAB软件加强机械手的模型建立与仿真模拟，能够精确的查看到机械手的运动轨迹，为机械手的进一步发展提供帮助。

参考文献：

[1]朱琪，吴雁，何玉安.基于SimMechanics的四自由度机械手控制系统机液耦合仿真[J].机床与液压，2015，43（03）：16-19.

[2]王登贵，杨艳.四自由度气动搬运机械手控制系统研究与仿真[J].液压与气动，2014（09）：29-31，57.

[3]袁文康，同志学.基于MATLAB的四自由度液压机械手运动轨迹规划研究[J].矿山机械，2014，42（04）：110-113.

[4]于复生，段登家，杜桂林，李涛.基于S7-200 PLC的四自由度机械手控制系统设计[J].液压与气动，2013（08）：89-91.

[5]王燕，張果，葛运旺.四自由度关节型采摘机械手轨迹规划与实验研究[J].现代制造工程，2013（07）：27-31.

[6]张立阳，崔建昆，朱心平，梁冰冰.基于VB和单片机的四自由度串联机械手的轨迹规划及控制系统[J].制造业自动化，2011，33（19）：6-8.

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作者简介：崔娜（1978-），女，辽宁昌图人，硕士学位，副教授，研究方向为机械工程。