汽車加油機(jī)器人操作器設(shè)計

汽車加油機(jī)器人操作器設(shè)計

0汽車加油機(jī)器人設(shè)計中的考慮在汽車的加油站里，司機(jī)和員工會感到頭痛，小心地在他們的手上和衣服上滴燃料。最好選擇使用機(jī)器人完成這項工作。因為機(jī)器人可以在24小時內(nèi)工作，并且不會出現(xiàn)過度或溢出現(xiàn)象。它不僅可以減少污染和環(huán)境保護(hù)，還可以節(jié)省勞動力。基于這些考慮，我們開始設(shè)計一輛汽車加油機(jī)器人。在機(jī)器人學(xué)研究中,最基本最重要的問題是機(jī)器人操作器的機(jī)構(gòu)學(xué)問題,這是因為當(dāng)進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計時,首先要解決如何根據(jù)工作要求確定操作器的結(jié)構(gòu)形式、運動副(在機(jī)器人學(xué)中稱為關(guān)節(jié))的數(shù)目及配置方式等問題.操作器的運動分析,涉及到操作器中各連桿的位置、速度和加速度等運動參數(shù),這些對于操作器的設(shè)計、編程、動力學(xué)計算和控制等都具有重要意義.本文即對汽車加油機(jī)器人設(shè)計中這兩方面的問題逐一進(jìn)行研究.1加油機(jī)器人操作設(shè)備的組成和結(jié)構(gòu)形狀1.1汽車加油機(jī)器人操作器的結(jié)構(gòu)特點操作器是加油機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng),是通過改變程序可以完成各種運動和操作任務(wù)的機(jī)械裝置.它由臂部、腕部和手部三部分組成.見圖1,臂部是操作器的主要執(zhí)行部件,由腰部1、大臂2和小臂3組成,它主要用來決定手部的位置.腕部M由一個轉(zhuǎn)動副組成,主要用來決定手部的姿態(tài).手部4是操作器的執(zhí)行部件之一,其上固結(jié)著一個夾持式手爪,用來抓取油槍.以上各部件均以轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)聯(lián)接,按操作器結(jié)構(gòu)設(shè)計坐標(biāo)形式的分類方式,汽車加油機(jī)器人操作器屬于關(guān)節(jié)坐標(biāo)式,采用關(guān)節(jié)式機(jī)器人的主要原因是占地面積小,可以用電動機(jī)做動力源,轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),容易密封,軸承件是標(biāo)準(zhǔn)件,其摩擦小,能量消耗較少.還須指出的是操作器各個相鄰關(guān)節(jié)的軸線應(yīng)互相平行或正交安裝.采用這種特殊結(jié)構(gòu)形式之后,相鄰桿件坐標(biāo)系的Z軸正向夾角α或為0°或為90°,一方面兩軸線的垂直距離和偏距必有一個為0,另一個為桿長L,可簡化計算.另一方面,機(jī)器人在初始位置上,各桿件總可以對準(zhǔn)固定坐標(biāo)系的任一坐標(biāo)軸的方向,各關(guān)節(jié)的位移量為0,各桿件坐標(biāo)系與固定坐標(biāo)系方向一致.又由于相鄰關(guān)節(jié)軸線互相平行或正交,相鄰坐標(biāo)系間的變換由二次旋轉(zhuǎn)變換簡化為一次旋轉(zhuǎn)變換,這些都使問題得到進(jìn)一步簡化.目前常用的機(jī)器人,都采用這種特殊結(jié)構(gòu)形式.1.2油槍的姿態(tài).根據(jù)需要,各關(guān)節(jié)有外工機(jī)器人操作器是空間開式鏈機(jī)構(gòu),每一個關(guān)節(jié)都具有獨立運動,即都有其各自的自由度,因此,每一關(guān)節(jié)處都有一臺單獨的電機(jī)驅(qū)動,機(jī)器人操作器自由度的數(shù)目就等于驅(qū)動電機(jī)的數(shù)目.自由度數(shù)目較多,增加了其靈活性和通用性,但同時也增大了運動學(xué)、動力學(xué)和控制等的難度.考慮到汽車加油機(jī)器人手部的工藝動作簡單,只是抓取相應(yīng)油號的油槍,各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)過一定角度使手部找到已打開的汽車油箱口即可.為使問題簡化,降低成本,在滿足加油工作要求的前提下,自由度數(shù)取為4,即4個關(guān)節(jié).臂部的3個關(guān)節(jié)決定機(jī)器人所夾持的油槍在空間的位置.對于油槍的姿態(tài),可以取手部軸線與油槍軸線重合的夾持方式.這樣,油槍的側(cè)擺及繞手部軸線的旋轉(zhuǎn)對加油工作都沒有意義,有1個作俯仰運動的腕關(guān)節(jié)既可實現(xiàn)手部油槍的姿態(tài).2反向運動學(xué)問題操作器的運動學(xué)研究包括兩方面內(nèi)容:其一是當(dāng)給定了操作器的一組關(guān)節(jié)參數(shù)時,如何來確定手部的位姿,這類問題通常稱為操作器的正向運動學(xué)問題;另一類更重要的問題是對于工作所要求的機(jī)器人手部的一個給定位姿,如何確定一組關(guān)節(jié)參數(shù),使手部達(dá)到這一給定位姿,這類問題為反向運動學(xué)問題,反向運動學(xué)問題與機(jī)器人設(shè)計和控制有密切關(guān)系.對于加油機(jī)器人,手部油槍的位姿可以給定,應(yīng)采用反向運動學(xué)問題的求解方式求得各關(guān)節(jié)運動參數(shù),以期對機(jī)器人進(jìn)行控制.應(yīng)用向量和回轉(zhuǎn)矩陣的基本知識,對位置向量進(jìn)行一次和二次微分可分別得到機(jī)器人操作器的速度和加速度.2.1位姿數(shù)學(xué)模型為建立操作器位姿數(shù)學(xué)模型,需要在每一桿件上固聯(lián)一個坐標(biāo)系,然后通過坐標(biāo)變換求解各個桿件之間的運動關(guān)系.不同的坐標(biāo)固聯(lián)方式將產(chǎn)生不同的運動關(guān)系式,為使運動方程式簡單且便于求解,這里應(yīng)用D—H坐標(biāo)系.借以將相鄰桿件坐標(biāo)系的回轉(zhuǎn)變換用兩個繞坐標(biāo)軸回轉(zhuǎn)變換矩陣來表示.為了分析機(jī)器人手部的運動,必須在手部上建立相應(yīng)坐標(biāo)系.(見圖1),取手部中心點p為該坐標(biāo)系原點,表示手部在空間的位置.從固定坐標(biāo)系原點O到點p的向量→ΡP?為機(jī)器人手部的位置向量.以p為原點的坐標(biāo)系pXpYpZp,表示機(jī)器人手部工具在空間的姿態(tài),稱為姿態(tài)坐標(biāo)系,常設(shè)定姿態(tài)坐標(biāo)系與機(jī)器人末桿坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向一致.作出操作器初始位置簡圖,見圖2.由前述可知在初始位置時,各桿件坐標(biāo)系及姿態(tài)坐標(biāo)系(圖中均未畫出)與固定坐標(biāo)系OXYZ方向一致,原點在各關(guān)節(jié)軸心.每一關(guān)節(jié)在機(jī)器人運動時的角位移為θn,顯然θn為變量.另外按D-H坐標(biāo)系的規(guī)定還有結(jié)構(gòu)參數(shù)hn,sn,αn,在特殊結(jié)構(gòu)形式下,它們分別為L0,L1,L2,L3和G4,α1=90°,其余αn均為0°.機(jī)器人手部位置向量→Ρ=(xyz)Τ.P?=(xyz)T.根據(jù)圖2可以寫出各相鄰桿件間的坐標(biāo)回轉(zhuǎn)變換矩陣分別為E01,E12,E23,E34,按各關(guān)節(jié)軸線平行或正交的特點,它們可以表示成繞相應(yīng)坐標(biāo)軸ω的回轉(zhuǎn)變換矩陣EωθE01=EZθ1E12=EYθ3E23=EYθ3E34=EYθ4根據(jù)空間開式鏈機(jī)構(gòu)相鄰桿件間的坐標(biāo)變換公式可以寫出機(jī)器人姿態(tài)坐標(biāo)系和固定坐標(biāo)系之間的回轉(zhuǎn)變換方程為E=E01E12E23E34=EΖθ1EYθ2EYθ3EYθ4=EΖθ1EY(θ2+θ3+θ4)=EΖθ1EYθ=[cosθ1cosθ-sinθ1cosθ1sinθsinθ1cosθcosθ1sinθ1sinθ-sinθ0cosθ](1)E=E01E12E23E34=EZθ1EYθ2EYθ3EYθ4=EZθ1EY(θ2+θ3+θ4)=EZθ1EYθ=???cosθ1cosθsinθ1cosθ?sinθ?sinθ1cosθ10cosθ1sinθsinθ1sinθcosθ???(1)式中θ=θ2+θ3+θ4因可用姿態(tài)坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向來描述手部在固定坐標(biāo)系中的姿態(tài),故式(1)稱為機(jī)器人的姿態(tài)方程.應(yīng)用不共原點的坐標(biāo)變換公式和回轉(zhuǎn)變換矩陣的運算法則,可以寫出機(jī)器人操作器手部的位置方程式→Ρ=→L1+EΖθ1(→L1+EYθ2(→L2+EYθ3(→L3+EYθ4(→G4))))=→L0+→L1+EΖθ1EYθ2→L2+EΖθ1EYθ2→L3+EΖθ1EYθ(→G4)(2)=→L0+→L1+EΖθ1EYθ2→L2+EΖθ1EYθ2EYθ3→L3+G4(λxμxυx)P?=L?1+EZθ1(L?1+EYθ2(L?2+EYθ3(L?3+EYθ4(G?4))))=L?0+L?1+EZθ1EYθ2L?2+EZθ1EYθ2L?3+EZθ1EYθ(G?4)(2)=L?0+L?1+EZθ1EYθ2L?2+EZθ1EYθ2EYθ3L?3+G4???λxμxυx???方程(1)和(2)合稱為加油機(jī)器人的位姿數(shù)學(xué)模型,它們含有機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)及各桿件的幾何參數(shù).2.2+4-1.2.3已給定位置向量→ΡP?、姿態(tài)矩陣E及各桿件尺寸后,進(jìn)行反向運動學(xué)求解:由方程(1)有E=[λxλyλzμxμyμzυxυyυz]=[cosθ1cosθ-sinθ1cosθ1sinθsinθ1cosθcosθ1sinθ1sinθ-sinθ0cosθ](3)E=???λxμxυxλyμyυyλzμzυz???=???cosθ1cosθsinθ1cosθ?sinθ?sinθ1cosθ10cosθ1sinθsinθ1sinθcosθ???(3)對比方程兩邊可得tanθ1=sinθ1cosθ1=-λyμy(4)tanθ=sinθcosθ=-υxυz(5)tanθ1=sinθ1cosθ1=?λyμy(4)tanθ=sinθcosθ=?υxυz(5)由方程(4),(5)可得θ1,θ.為求其它轉(zhuǎn)角,將方程(2)改可寫為→Ρ-(→L1+→L2)-G4(λxμxυx)=EΖθ1EYθ2(→L2+EYθ3(→L3))P??(L?1+L?2)?G4???λxμxυx???=EZθ1EYθ2(L?2+EYθ3(L?3))即[x-G4λxy-G4μxz-(L1+L2)-G4υx]=EΖθ1EYθ2[L2+L3cosθ30-L3sinθ3](6)???x?G4λxy?G4μxz?(L1+L2)?G4υx???=EZθ1EYθ2???L2+L3cosθ30?L3sinθ3???(6)方程(6)左邊均為常數(shù),令x′=x-G4λxy′=x-G4μxz′=z-(L1+L2)-G4υx(7)則有(x′y′z′)=EΖθ1EYθ2[L2+L3cosθ30-L3sinθ3](8)由于向量旋轉(zhuǎn)前后其模不變,將方程(8)兩邊平方并整理后得x′2+y′2+z′2=L22+L23+2L2L3cosθ3于是有θ3=cos-1(L22+L23-(x′2+y′2+z′3))/2L2L3(9)為求θ2將方程(8)兩邊左乘EΖ(-θ1)1得EΖ(-θ1)(x′y′z′)=EYθ2[L2+L3cosθ30-L3sinθ3]展開整理后取其第三行可得L3cosθ3sinθ2-(L2-L3sinθ2)cosθ2+z′=0即Asinθ2+Bcosθ2+C=0(10)式中A=L2+L3cosθ3,B=-L3sinθ3,C=z′對方程(9)進(jìn)行幾何置換可得θ2=2t