机器人装配作业轨迹规划研究 Research on Trajectory Planning of Robot Assembly Operation

王小闯 WANG Xiao-chuang 徐达 XU Da 王兆阳 WANG Zhao-yang

摘要： 随着智能化、无人化技术的发展，机器人自主装配将成为工业生产自动化、无人化主要发展方向。针对采用机器人完成内燃机配件自动装配问题，依托Matlab/Adams联合仿真对工作路径进行轨迹规划仿真。建立装配机器人运动学模型，并对装配路径进行轨迹规划，利用Matlab/Adams联合仿真验证运动学模型的可行性，仿真结果表明装配机器人所规划的轨迹运动学和动力学特性良好，能够很好的按规划的路径完成装配作业，为内燃机配件装配实现无人化作业提供借鉴。

Abstract： With the development of intelligent and unmanned technology， autonomous assembly of robots will become the main development direction of industrial production automation and unmanned. Aiming at the problem of using robots to complete the automatic assembly of internal combustion engine parts， relying on Matlab/Adams co-simulation to simulate the trajectory planning of the working path. Establish a kinematic model of the assembly robot， and plan the trajectory of the assembly path， using Matlab/Adams co-simulation to verify the feasibility of the kinematics model. The simulation results show that the planned trajectory of the assembly robot has good kinematics and dynamics characteristics， and can complete the assembly work well according to the planned path， which provides reference for the realization of unmanned operation in the assembly of internal combustion engine parts.

关键词： 装配机器人;Matlab/adams;聯合仿真;轨迹规划

Key words： assembly robot;Matlab/adams;co-simulation;trajectory planning

中图分类号：TP242                   文献标识码：A                 文章编号：1674-957X（2021）22-0213-03

0  引言

随着智能化、无人化技术的发展，机器人在自动化工业生产中的广泛应用，使用机器人完成内燃机配件的装配工作已经成为主要发展趋势[1]。为完成自动装配作业，通常对装配机器人进行轨迹规划，并对规划的轨迹进行验证，得出符合实际条件的工作路径。因此，在Matlab计算关节运动轨迹曲线并在Adams中建立模型，通过Matlab和Adams联合仿真，验证运动轨迹的可行性[2]，表明装配机器人能够可靠的完成规划的装配作业任务。

1  机器人装配作业轨迹规划

装配机器人轨迹规划是指机器人在运动学、动力学基础上的轨迹生成方法[3]，是在给定的限制下，由关于时间的足够平滑的函数构成轨迹函数实现轨迹规划。较为常用的是五次多项式轨迹规划[4]，其关节角度曲线变化平缓，速度曲线也比较顺滑，加速度也不存在跳变的情况。其函数表达式为：

θ（t）=a0+a1t+a2t2+a3t3+a4t4+a5t5（1）

其约束条件为：

（2）

将式（2）代入式（1）中，得到五次多项式系数的表达式：

（3）

其中t0为起始时间，θ0为关节初始角度值，tm为终止时间，θm为终止位置的关节角度值。

给定各关节的初始和终止角度值和角加速度，将己知条件代入公式（3）中求解，可解出全部未知的系数，得到机器人的关节轨迹规划函数。

2  装配机器人Matlab和Adams联合仿真

Matlab和Adams联合仿真是在Matlab中根据装配机器人的工作路径进行轨迹规划，在adams中输入关节轨迹函数作为驱动，通过Adams中的机械系统导出功能将动力学模型与Matlab中的simulink控制模块组合起来，实现联合仿真[5]。

以工业内燃机中零部件的装配作业为例，将配件从抓取位置P0移动至装配位置Pf，完成部件的取送。首先在Adams中建立装配机器人模型，在此选择用solidworks三维建模而后将模型导入Adams中，定义相应的关节连接和驱动，关节副类型如表1所示，装配机器人模型如图1所示。

抓取位P0和装配位Pf的关节角位移值如表2所示。

因内燃机配件装配必须保证精准可靠，装配过程中应尽量保持机器人运行平稳无速度突变，故关节驱动使用step5函数[6]。仿真时间设置为10s，设置好关节驱动及输入输出变量后，从Adams controls中导出M文件，如图2所示。

在Matlab中运行生成的M文件并运行仿真，弹出simulink仿真模块。由于在Adams中已设置关节驱动函数，在此不再做过多输入控制。控制电路模型如图3所示。

启动simulink仿真，此时Adams也会伴随启动，完成联合仿真后系统输出关节角位移、角速度和角加速度曲线，如图4-图6所示。

根据仿真结果，关节角度和角加速度变化平缓，无明显突变，说明装配过程配件运行平稳，能够准确到达装配位置，如图4和图5所示;联合仿真中关节加速度出现跳变的情况，说明关节运动过程中受阻力影响，符合实际运动情况，对装配作业影响不大，如图6所示。综上可知，Matlab和Adams联合仿真能够很好的展现装配机器人在内燃机配件装配作业中的运行情况，验证了装配机器人能够按规划的轨迹完成装配作业。

3  小结

针对装配机器人实现内燃机配件自动装配问题，进行了装配机器人轨迹规划，通过Matlab和Adams联合仿真，结果较好的反映了系统的轨迹控制和动态特性，验证了装配机器人完成装配工作的可行性。通过轨迹规划仿真，在无人化装配作业中，给定配件的初始位置和终止位置，就可以精确完成配件装配工作，为内燃机配件装配实现无人化作业提供借鉴。

参考文献：

[1]罗建华，徐达.基于虚拟样机的装填机械臂动力学分析与仿真[J].装甲兵工程学院学报，2015，29（03）：71-74.

[2]孙伟，王方成，张东生，王占领.基于ADAMS和MATLAB的翻转机构联合仿真研究[J].机械工程师，2017（04）：18-21.

[3]田国富，姜春旭.工业机器人在MATLAB-Robotics中的运动学分析[J].重型机械，2019（03）：73-77.

[4]李黎，尚俊云，冯艳丽，淮亚文.关节型工业机器人轨迹规划研究综述[J].计算机工程与应用，2018，54（05）：36-50.

[5]叶仁平，曾德怀.基于Adams和Matlab的机器人手臂运动控制联合仿真研究[J].现代制造工程，2017（06）：56-61，68.

[6]沈悦.六自由度工业机器人轨迹规划及控制算法研究[D].南京理工大学，2017.