1、机器人机械结构
1.1机器人系统总成
该S型管道喷涂机器人系统主要由6 部分组成, 包括控制系统、运输车、基座部分、伸缩臂部分、曲臂部分和喷涂系统, 如图1 所示。机械机构具有14 个自由度, 其中, 基座4 个, 伸缩臂3 个, 曲臂7 个。
该冗余自由度特种喷涂机器人由直角坐标式和空间关节式组成。将机器人的基座部分设计成直角坐标式, 可以在X 、Y、Z 3 个方向上方便地进行空间位置调 整, 3 个伸缩臂完全伸展时其尺寸为 1411 m ×211 m ×312 m。基座与伸缩臂的连接设计为摆臂结构, 使伸缩臂和曲臂相对基座可以在一个平面内运动,便于其和S 型管道同轴。机器人手臂结构设计成冗余多关节的曲臂形式, 可以灵活地进行位置和姿态调整,以适应管道的S形状。
由此可以看出, 机器人的运输车、基座以及伸缩臂部分在整个喷涂过程中主要起到定位作用, 为冗余多关节曲臂的喷涂运动提供初始位置。因此, 本文中的运动仿真是在假设机器已经调整至初始位置的前提下, 只针对冗余多关节曲臂进行的。
1.2机器人运动仿真结构
该喷涂机器人运动仿真结构见图2, 它共有8 个关节。 由于带有喷头的末端是绕其轴线进行- 180o～ 180o的旋转运动, 不影响碰撞检验, 因此为了加快计算机的运算速度, 减小不必要的计算, 可以将其运动忽略, 只计算图示的7 个关节即可。因为在机器人进行喷涂前, 其运输系统、基座部分等已调试完成, 处于稳定状态, 而伸缩臂和曲臂是处于联动状态, 在此, 将3 个伸缩臂的运动简化为一个, 即关节1, 其运动状态为直线运动, 其他 6 个关节为旋转运动。这 6 个旋转运动的关节中, 关节 2、关节 3、关节 4、关节6 是竖直方向回转运动, 关节 5 和关节 7 是水平方向回转运动。
2、运动仿真分析
2.1冗余曲臂和伸缩臂的装配
冗余关节曲臂在管道中的初始位置以及各个关节的初始位置见图3。由图3 可以看出, 在不影响运动分析精度的前提下, 为加快计算机的运行速度, 提高干涉检验的可观性, 该机器人的运输系统、基座、伸缩臂等部分已忽略不计。
2.2伸缩臂关节的装配
假设机器人已调整至初始位置, 即曲臂轴线与管
道轴线同轴, 基座部分在喷涂过程中静止不动, 3 个伸缩臂已简化为1 个, 做直线运动, 它与冗余关节曲臂是联动的。在P roöE 里的装配过程中, 将伸缩臂连接滑座的端面与管道的基准平面设置为平面约束, 如图4所示。因设置平面约束后仍有两个平动和一个转动, 故在设置平移轴时只设置一个沿管道轴向的方向即可,其他可忽略不计。为防止因约束过少导致伸缩臂恢复不到初始位置, 可利用软件提供的快照功能, 对其初始位置进行拍照保存, 从而便于恢复初始位置, 为下一次实验提供便利。
2.3曲臂关节装配
曲臂的6 个关节全部是回转运动, 故在装配过程中均设置为销钉连接。只需选择相对的回转轴和相对的回转平面即可, 并根据右手定则, 确保初始运动方向与规划方向一致。图5 为关节2 的装配图, 其他5 个关节的装配过程类似, 不再赘述。同时为提高碰撞检验的运行速度, 提高碰撞检验的可观性, 装配曲臂时,在保证装配尺寸的前提下, 可将一些小的零件, 比如限位开关、减速器等忽略, 只保留诸如电机罩等最易发生碰撞的零件, 但是务必保证装配关系同运动规划时实际零件装配一致。
2.4仿真结果
输入仿真数据后, 设置合适的运动时间和帧频, 即可对7 个关节进行联动, 以检验干涉碰撞。通过运动仿真检验, 发现在对S 型管道的后半部进行喷涂过程中,因其空间相对于前半部而言较为宽敞, 故未发现碰撞现象。但是由于曲臂前段各个关节运动幅度较大, 灵活性较高, 且关节7、关节6 和关节5 的电机罩关键点运动极限位置距离管道内壁空间较窄, 为确保喷涂的安全性, 应对逆运动学的运算条件进一步加以约束, 在保证满足喷涂的前提下, 对运动轨迹进行更优的规划,调整关节转动角度, 从而保证机器人进行更为安全、有效的工作。
3、结论
通过输入由逆运动学计算出的各关节相对坐标,使关节进行联动, 检验其是否与管道碰撞, 从而对喷涂机器人的运动路径进行了优化, 实现了喷涂效果的最优控制。该方法为机器人运动路径的优化提供了较为便利的途径, 对于类似的机器人具有通用性。同时,在计算机硬件允许的前提下, 可以对运动坐标点进行更进一步的细化, 从而对已规划路径提供更为精细的碰撞检验, 实现路径的最佳化。