一種平面機械手運動路徑的規劃方法與流程

2023-09-09 23:28:30 3

本發明主要涉及到機械手的運動控制領域，特指一種適用於裝箱碼垛機中裝盒機械手的運動路徑的規劃方法。

背景技術：

裝箱碼垛機的裝盒機械手為三軸的平面機械手。控制機械手執行端的運動必須處理好機械手一節臂和二節臂伺服電機之間的聯動關係，兩個電機的運動精準配合運行才能實現對控制機械手執行端的軌跡控制。否則，機械手不能準確定位，在裝箱過程中也會存在比較大的抖動，容易和其它機械部件發生幹涉。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題就在於：針對現有技術存在的技術問題，本發明提供一種原理簡單、機械手定位精準、能夠防止裝箱運行過程中出現抖動的平面機械手伺服電機運動路徑的規劃方法。

為解決上述技術問題，本發明採用以下技術方案：

一種平面機械手伺服電機運動路徑的規劃方法，其步驟為：

s1：建立機械手分析結構模型；對機械手的結構進行分析簡化，將裝箱碼垛機的抓盒機械手簡化為由15根連杆構成的機械手結構模型；

s2：規劃機械手工作時的運動路徑；根據抓盒機械手運動需求，規劃好機械手抓取產品並將產品裝入紙箱運動路徑；

s3：建立機械手位移step函數數學模型；將每一段路徑的位移分解為x和y兩個方進行圖像曲線描述；所述step函數為平滑階躍性函數，通過定義每一段路徑中函數的五個修飾變量，使建立的機械手模型在x和y方向運動路徑曲線保持平滑；

s4：建立機械手速度step函數數學模型；將得到的位移step函數數學模型轉化為速度曲線描述，形成機械手速度step函數數學模型；

s5：將建立的機械手三維模型進行運動學分析，得到機械手按預定路徑運行時一節臂和二節臂伺服電機的角度控制曲線數據。

作為本發明的進一步改進：所述步驟s1所建立的機械手結構模型中，第一連杆和第二連杆伺服電機驅動，第一連杆與第二連杆之間的連杆為固定不動的機架；第二連杆、第三連杆、第七連杆與機架構成平行四邊形；第四連杆、第五連杆、第八連杆與第九連杆構成平行四邊形；第三連杆與第四連杆為固定的90°關係，第五連杆與第六連杆也為固定的90°關係；其它連杆之間均為鉸鏈連接關係。

作為本發明的進一步改進：所述步驟s5的具體流程為：

s501：定義好機械手相關約束關係後，修改機械手初始位置參數，建立機械手驅動模塊；將速度控制step數學函數模型，添加到機械手驅動模塊中；定義運動仿真的參數，以及機械手各個自由度的約束關係後啟動仿真；

s502：在得到的仿真結果中測量第一連杆和第二連杆與垂直方向的角度值曲線，這兩條曲線即機械手在按路徑運行時，一節臂和二節臂伺服電機的運行角度走勢曲線；

s503：將得到的一節臂和二節臂伺服電機的運行角度曲線數據進行數學處理；對角度曲線在x和y方向分別進行數學移動，實現曲線的起點縱坐標和橫坐標都為0；求出最大運行角度，即找到平移曲線後的最大縱坐標值；將橫坐標的時間點替換為0到2048的等差序列；找出曲線對應的橫坐標移動量，得到伺服電機跟隨曲線運動的切入啟動點；

s504：通過上述處理後，得到機械手按路徑運行時一節臂和二節臂伺服電機的角度控制曲線數據，按照該曲線數據對機械手一節臂和二節臂伺服電機的聯動控制。

作為本發明的進一步改進：所述機械手工作時的運動路徑包括機械手的原點位置、機械手抓取產品動作路徑、抓取產品後平移路徑、放產品路徑。

作為本發明的進一步改進：所述機械手抓取產品動作路徑、抓取產品後平移路徑、放產品路徑中均包含圓角軌跡。

與現有技術相比，本發明的優點在於：本發明的平面機械手伺服電機運動路徑的規劃方法，原理簡單、操作簡便，能夠得到伺服電機角度曲線對機械手進行定位控制，使機械手一節臂和二節臂伺服電機聯動定位精準，裝箱運行過程中無抖動，運行平穩。

附圖說明

圖1是本發明規劃方法的流程示意圖。

圖2是本發明所建立的機械手分析結構模型示意圖。

圖3是本發明在具體應用實例中預定運動路徑的示意圖。

圖4是本發明在具體應用實例中機械手位移step函數數學模型示意圖；即機械手分別在x和y方向上在不同時間點的時間位移曲線。

圖5是本發明在具體應用實例中機械手速度step函數數學模型示意圖；即機械手分別在x和y方向上在不同時間點的時間速度曲線。

圖6是本發明在具體應用實例中機械手抓取產品並裝箱運動路徑的速度控制step數學函數模型示意圖；即機械手分別在x和y方向的速度控制數學模型。

圖7是本發明在具體應用實例中仿真結果的示意圖；即機械手一節臂和二節臂伺服電機在仿真過程中每個位置的角度值曲線。

圖8是本發明在具體應用實例中機械手按預定路徑運行時一節臂和二節臂伺服電機的角度控制曲線示意圖；即經過數學處理後的機械手一節臂和二節臂伺服電機角度值曲線。

圖例說明：

1、第一連杆；2、第二連杆；3、第三連杆；4、第四連杆；5、第五連杆；6、第六連杆；7、第七連杆；8、第八連杆；9、第九連杆。

具體實施方式

以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。

本發明的一種平面機械手伺服電機運動路徑的規劃方法，通過對機械手結構分析和簡化，建立碼垛機械手三維結構模型，並定義好相關部件之間的約束關係。根據機械手運動需求規劃好機械手運動路徑，將機械手運動軌跡劃分抓取產品動作路徑，抓取產品後平移路徑，和放產品路徑。並把每一段路徑的位移分為x和y兩個方向進行圖像曲線描述，然後建立step函數數學模型。為了方便對每一段路徑的加速度、減速度、最大運行速度等運動參數進行調節控制，還需將得到的位移step函數數學模型轉化為速度step函數數學模型。修改機械手初始位置參數，將描述機械手抓取產品並裝箱運動路徑的速度控制數學函數模型添加到三維機械手結構模型中。定義好仿真參數後啟動仿真。對仿真結果進行測量，得到機械手一節臂和二節臂伺服電機在抓取產品並裝箱的運行過程中每個位置的角度值曲線，並將兩個電機的角度值曲線導出，得到2048個數據點。對得到的電機的角度值曲線數據進行處理，對曲線在x和y方向分別進行數學移動和縮放，求出機械手伺服電機最大運行角度以及跟隨曲線運動的切入點等控制數據。將處理後的機械手一節臂和二節臂伺服電機角度曲線數據下載到伺服電機運動控制器中。通過對伺服電機進行後續編程即可完成對機械手一節臂和二節臂伺服電機的聯動控制。

如圖1所示，本發明的具體步驟為：

s1：建立機械手分析結構模型；

對機械手的結構進行分析簡化，裝箱碼垛機的抓盒機械手可簡化為由15根連杆構成的機械手結構模型，如圖2所示。

圖中第一連杆1和第二連杆2伺服電機驅動，第一連杆1與第二連杆2之間的連杆表示固定不動的機架。第二連杆2、第三連杆3、第七連杆7與機架構成平行四邊形；第四連杆4、第五連杆5、第八連杆8與第九連杆9構成平行四邊形；第三連杆3與第四連杆4為固定的90°關係，第五連杆5與第六連杆6也為固定的90°關係；這樣，就可以使機械手整個運行過程中第六連杆6都保持垂直狀態，即機械手抓取產品後在運行過程中產品不會發生傾斜。機械手其它連杆之間均為鉸鏈連接關係。

s2：規劃機械手工作時的運動路徑；

根據抓盒機械手運動需求，規劃好機械手抓取產品並將產品裝入紙箱運動路徑，如圖3所示。圖中實線條表示機械手運動軌跡。位置點c為機械手的原點位置，即運動的初始位置。位置點a,b,c構成機械手抓取產品動作路徑，位置點c和d構成抓取產品後平移路徑，位置點d和e構成放產品路徑。在實際控制過程中，位置點b,c,d處均處理為圓角軌跡，這樣可以有效降低運行過程中的機械衝擊。

s3：建立機械手位移step函數數學模型；

分別對位置點a,b,c構成的機械手抓取產品動作路徑，位置點c和d構成的抓取產品後平移路徑，位置點d和e構成的放產品路徑進行曲線和數學描述。將每一段路徑的位移分解為x和y兩個方進行圖像曲線描述，如圖4所示，曲線的縱坐標單位為毫米（mm），橫坐標單位為秒（s）。然後再用step函數建立如圖4所示曲線的機械手運動路徑數學模型。step函數為平滑階躍性函數，通過定義每一段路徑中函數的五個修飾變量，使建立的機械手模型在x和y方向運動路徑曲線保持平滑，避免曲線出現尖角和抖動，從而確保抓盒機械手在運行過程中平穩運行。

s4：建立機械手速度step函數數學模型；

為了方便對機械手運動軌跡數學模型每一段路徑的加速度、減速度、最大運行速度等進行調節控制，還需將得到的位移step函數數學模型轉化為速度曲線描述，如圖5所示，曲線的縱坐標單位為毫米/秒（mm/s），橫坐標單位為秒（s）。然後根據圖5所示機械手速度曲線描述，建立機械手在x和y方向速度控制step函數數學模型，如圖5所示。同樣對該數學模型中的參數進行優化，調節模型的加減時間和最大速度等數據，再次降低了機械手運行過程中的加減速衝擊，提高機械手運行過程的可控性。

s5：將建立的機械手三維模型進行運動學分析，得到機械手按預定路徑運行時一節臂和二節臂伺服電機的角度控制曲線數據；

定義好機械手相關約束關係後，修改機械手初始位置參數，建立機械手驅動模塊。將圖6所示的描述機械手抓取產品並裝箱運動路徑的速度控制step數學函數模型，添加到機械手驅動模塊中。定義運動仿真的參數，以及機械手各個自由度的約束關係後啟動仿真。

在得到的仿真結果中測量圖1中第一連杆1和第二連杆2與垂直方向的角度值曲線，這兩條曲線都由2048個數據點構成，分別表示第一連杆1和第二連杆2在仿真過程中與垂直方向的角度值，縱坐標單位為度，橫坐標單位是秒，如圖7所示。這兩條曲線即機械手在按圖3所示路徑運行時，一節臂和二節臂伺服電機的運行角度走勢曲線。

將得到的一節臂和二節臂伺服電機的運行角度曲線數據進行數學處理。對角度曲線在x和y方向分別進行數學移動，實現曲線的起點縱坐標和橫坐標都為0。求出最大運行角度，即找到平移曲線後的最大縱坐標值。將橫坐標的時間點替換為0到2048的等差序列。找出曲線對應的橫坐標移動量，得到伺服電機跟隨曲線運動的切入啟動點。為了滿足程序控制要求，還需對角度曲線縱坐標進行縮放，將最大變化角度值縮放為32767。

通過上述處理後，可得到機械手按圖2所示路徑運行時一節臂和二節臂伺服電機的角度控制曲線數據，曲線如圖8所示。將圖8所示伺服電機角度曲線數據下載到伺服電機運動控制器，通過對伺服電機進行後續編程即可完成對機械手一節臂和二節臂伺服電機的聯動控制，確保機械手抓取產品並裝箱的運行過程平穩精準，衝擊性小。

以上僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干改進和潤飾，應視為本發明的保護範圍。