六自由度工業(yè)機械動力學(xué)模型簡化分析

　　摘 要：拉格朗日方程是通用六自由度工業(yè)機械臂進行動力學(xué)分析的常用方法。然而，當關(guān)節(jié)自由度多于三時，其動力方程的展開式相當復(fù)雜，完整地求出其表達式并不現(xiàn)實。本文首分析了六自由度機械研究發(fā)展，然后分析了機械模型之中的動力學(xué)模型的解析，最后分析了工業(yè)機械的監(jiān)控分析。
　　關(guān)鍵詞：六自由度；工業(yè)；機械；力學(xué)模型；
　　機械臂可根據(jù)一定的程序和軌跡模仿人手部的部分動作要求，從而展開自動抓取和搬運，其操作系統(tǒng)是自動化裝置，且機械臂對控制實時性要求極高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展飛速，傳統(tǒng)機械臂控制系統(tǒng)早已適應(yīng)不了現(xiàn)代化的要求，早期基于PLC的機械臂控制系統(tǒng)輸入/出較為緩慢，且其間所采用的算法冗余過多，造成程序掃描時間太長，從而導(dǎo)致電機控制實時性缺失。因此，分析基于PLC的六自由度機械臂控制系統(tǒng)，對我國機械臂控制系統(tǒng)研究有著極大現(xiàn)實意義。
　　一、六自由度機械研究發(fā)展簡析
　　六自由度機械臂也就是多自由度機械臂，其屬于典型的強耦合多輸入/輸出的非線性系統(tǒng)，可以說目前對機械臂軌跡快速跟蹤控制研究較多，但其間許多重點還未被突破，面臨諸多問題。具體而言，機械臂建模及機械臂控制系統(tǒng)研究是十分關(guān)鍵的。
　　六自由度機械臂絕大多數(shù)都是工業(yè)型機器人，其可實現(xiàn)自動搬運和裝配，且可以自動焊接與噴涂。固高科技GRB系統(tǒng)的六自由度機器人可謂是固高成熟健全的運動控制技術(shù)，其間具備先進的設(shè)計及教學(xué)理念，可充分滿足工業(yè)現(xiàn)場的各方面要求，更是教學(xué)及科研機構(gòu)運動規(guī)劃的關(guān)鍵內(nèi)容，亦是編程系統(tǒng)設(shè)計最為適宜的對象。
　　機械臂建模是基于機械臂的相關(guān)特點而實現(xiàn)的，往往機械臂分布質(zhì)量為三維的，且其屬多自由度結(jié)構(gòu)，以牛頓力學(xué)得出機械臂動力學(xué)方程式十分困難的，但是基于拉格開朗日力學(xué)則僅獲得相應(yīng)的能量項，且于許多條件下應(yīng)用十分方便；機械臂控制系統(tǒng)的研究所采用的方式多是模糊自適應(yīng)控制及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制，亦或者是魯棒自適應(yīng)控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制，不過這些方式實現(xiàn)過程非常復(fù)雜。而逆系統(tǒng)方式屬于反饋線性化方式，其強調(diào)以對象逆系統(tǒng)建立可用反饋化方式實現(xiàn)的α階積分逆系統(tǒng)，主要是將對象補償為線性傳遞關(guān)系系統(tǒng)，也就是偽線性系統(tǒng)，之后基于此設(shè)計控制器。
　　二、動力學(xué)分析
　　為使六個自由度均為旋轉(zhuǎn)副的工業(yè)機械臂的連桿加速，驅(qū)動器必須有足夠大的力和力矩來驅(qū)動機械臂連桿和關(guān)節(jié)，以使它們能夠以期望的速度和加速度運動，否則連桿將不能以需要的速度運動，并由于運動遲緩而達不到期望的位置精度。因此，必須建立決定機械臂運動的動力學(xué)關(guān)系來計算各驅(qū)動器所需驅(qū)動力。
　　通常使用牛頓力學(xué)等方法來確定機器人動力學(xué)方程，然而由于機器人是具有分布質(zhì)量的三維、多自由度的機械裝置，利用牛頓力學(xué)來確定其動力學(xué)方程非常困難。本文利用拉格朗日力學(xué)進行分析。用拉格朗日力學(xué)建立系統(tǒng)動力學(xué)方程時只需考慮系統(tǒng)能量，使用起來較為容易。運動學(xué)正反解算法設(shè)計其間采用的伺服電機應(yīng)改變轉(zhuǎn)角來驅(qū)動機械臂工作，要將平動盤位置合理定位，同時并聯(lián)機械臂系統(tǒng)，這里強調(diào)的是將其與電機轉(zhuǎn)角準確轉(zhuǎn)換，而其間互相轉(zhuǎn)換主要是運動學(xué)正解算法及運動學(xué)反解算法這兩方面：正解算法則是其間所采用的各臺伺服電機轉(zhuǎn)角可推算平動盤于平面中的位置；反解算法則強調(diào)的是以平面中平動盤合理推算電機中軸的旋轉(zhuǎn)角度。
　　三、監(jiān)控系統(tǒng)分析
　　具體而言，監(jiān)控系統(tǒng)主要是下述幾方面構(gòu)成：其一，主界面。主界面可全面顯示六自由度并聯(lián)機械臂的實際結(jié)構(gòu)，還有其電機左右抱閘控制及伺服鎖定控制，且采用指示燈來指示狀態(tài)，從而及時觀測機械臂實時位置；其二，自動控制界面。此界面中具備機械臂的自動運行按鍵，比如自動啟動及STOP等類按鈕，亦可設(shè)置自動運行中的許多位置和屏障高度，且此界面還應(yīng)設(shè)置適宜的鐵片，其厚度應(yīng)適宜六自由度機械臂控制，還有其循環(huán)次數(shù)及運動速度等類參數(shù)；其三，手動控制界面。該界面可實現(xiàn)機械臂的手動操作，比如其相應(yīng)的點動，并嚴格指定相關(guān)位置絕對移動；其四，報警界面。此界面主要是以指示燈指示相應(yīng)的方向，警示其越限和軸錯誤，同時設(shè)置相應(yīng)的按鈕，如果出現(xiàn)越限警報，則可及時按下清除按鈕將機械臂恢復(fù)于原始位置。
　　四、模型簡化分析
　　為了證明通用六自由度工業(yè)機械臂動力學(xué)模型簡化為前三自由度機械臂動力學(xué)模型的可行性，在ADAMS 中對其進行分析。設(shè)六自由度工業(yè)機械臂中各個關(guān)節(jié)的輸入軌跡為 qd=cos（πt）- sin（πt），所以 速 度 為 q觶 d=- πsin（πt）- πcos（πt），加 速 度 為 q d= - π2cos（πt）+π2sin（πt），因此，各關(guān)節(jié)的最大速度值為姨2 π rad/s。當只考慮前三自由度動力學(xué)特性時，各關(guān)節(jié)輸入相同的軌跡，并令后三關(guān)節(jié)固定不動。
　　結(jié)束語
　　隨著國家經(jīng)濟水平的快速提升，科學(xué)技術(shù)亦隨之飛速發(fā)展，各類高性能及多功能機械被研發(fā)和應(yīng)用。基六自由度機械臂快速推動了我國機械臂功能水平的提升，且促進了我國六自由度機械臂的進一步發(fā)展，可推動我國工業(yè)生產(chǎn)及機械制造業(yè)的快速發(fā)展，以此促進我國經(jīng)濟水平的快速提升，從而提升我國在國際上的競爭力，同時也提高了我國的國際地位。本文對六自由度機械臂研究發(fā)展進行了簡析，探討了六自由度機械臂結(jié)構(gòu)，全面分析了的六自由度機械臂控制，為我國機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計水平的提升提供可靠的理論性依據(jù)。
　　參考文獻
　　[1]李佳.推動中國標準國際化，助力“中國制造2025”——全國工業(yè)機械電氣系統(tǒng)標準化技術(shù)委員會（SAC/TC231）四屆四次全體會議在杭州成功召開[J].制造技術(shù)與機床，2017（06）：24-25.
　　[2]梁學(xué)修.工業(yè)機械臂交流伺服控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，2017.
　　[3]任天琦.基于MFAC的多關(guān)節(jié)串聯(lián)工業(yè)機器臂軌跡跟蹤控制研究及實現(xiàn)[D].北京交通大學(xué)，2017.
　　[4]王琥.基于6-DOF工業(yè)機械臂雙目視覺伺服控制系統(tǒng)研究[D].廣西大學(xué)，2016.
　　[5]王冬梅.基于單應(yīng)性的工業(yè)機械臂視覺軌跡跟蹤迭代學(xué)習控制[D].浙江大學(xué)，2016.
　　[6]徐方方.基于任務(wù)級的移動機器人/工業(yè)機械臂復(fù)合冗余系統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)研究[D].南京理工大學(xué)，2013.
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