[发明专利]一种有限空间约束的注塑机械臂动力学协同仿真方法

说明书

本发明公开了一种有限空间约束的注塑机械臂动力学协同仿真方法，运用结构表达式驱动和link函数分别建立机械臂的结构模型和D‑H模型，根据机械臂的初始位置和终止位置，对机械臂进行轨迹规划逆向运动求解，获取初始轨迹曲线和各关节角度变化曲线，将UG接口的全部操作编译成独立的M函数嵌入到MATLAB/Simulink模块的动态系统仿真模型中进行轨迹曲线的拟合。本发明得到在有限空间约束的条件下轨迹连续，关节平滑，末端运动时间较短，满足实际需求的一条理想轨迹通过协同仿真，以结构动力学和控制系统运动学协同仿真相结合为途径，寻求在有限空间约束下机械臂轨迹优化方法，实现了优化后轨迹关节平滑驱动。

技术领域

本发明涉及一种有限空间约束的注塑机械臂动力学协同仿真方法，属于机器人路径优化技术领域。

背景技术

针对多自由度注塑机械臂系统在有限空间约束条件下作高效两点重复运动，在满足机械臂性能的情况下，使系统在最短时间完成给定负载两点间抓运工作，提高生产效率，轨迹规划成为系统控制的关键问题。

文献(于天宇，李达，宋宝玉.基于MATLAB-Robotics工具箱的工业机器人轨迹规划及仿真研究[J].机械工程师，2011(7):81-83)利用D-H参数法建立机器人模型，通过调用MATLAB Robotics工具箱函数进行机器人运动学正反解运算，运用多项式插值拟合机器人运动轨迹曲线，对机器人多个关节轨迹进行规划和仿真；文献(李辉，黄文权，李开世.基于复杂路径下的六自由度机器人动力学仿真[J].机械设计与制造，2015(9):208-210)将Adams建立的机械臂导入Matlab中，利用Simulink仿真模块搭建联合仿真系统，实现机械系统与控制系统的联合仿真，但这种方法在复杂环境下可能由于干涉情况和运动策略考虑不够全面而无解。总体来说，当前国内外的研究主要集中在无约束或者前约束条件下生成和优化机械臂的运动轨迹，也有学者将机械臂的运动学性能、动力学性能和特殊的工作条件(如：运动时间、生产效率、运动空间等)等与机械臂轨迹规划相结合进行研究。在有限空间约束条件下，针对机械臂的轨迹规划化问题，基于结构动力学和控制系统运动学的协同仿真方法还未有文献记载。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对多自由度注塑机械臂在有限空间约束条件下的轨迹规划问题，提供一种有限空间约束的注塑机械臂动力学协同仿真方法，建立了机械臂关节空间运动轨迹方程，将运动时间、生产效率、运动空间等进行约束，得到了一条满足实际工况要求的最优轨迹。

本发明采取的技术方案为：一种有限空间约束的注塑机械臂动力学协同仿真方法，该方法包括以下步骤：

(1)对多自由度注塑机械臂建模：首先对机械臂的模型进行简化，运用UG三维软件建立机械臂三维模型，通过表达式驱动其尺寸变化，将模型尺寸存储数据库，任意修改、增加数据或设计变量，模型自动同步更新，实现表达式驱动机械臂长臂建模；

(2)建立注塑机械臂动力学模型：在有限空间约束的条件下，根据步骤(1)中的机械臂模型，建立机械臂的D-H空间坐标系和D-H参数，D-H空间坐标系包括系统全局坐标系和关节坐标系；

(3)根据机械臂末端的位置和方位，将笛卡尔空间映射到关节空间，求得机械臂的自由运动空间和各关节变量；

(4)运用MATLAB Robotics Toolboxlink函数建立机械臂模型；

(5)在MATLAB中建立机械臂控制系统运动学方程，驱动函数得到机械臂各关节位姿，调用drivebot函数可调节控制界面的滑条转动各关节，观察机械臂在空间中运动的轨迹、范围；

(6)根据有限空间约束条件下的实际工况，在满足机械臂运动范围、与其它零件没有干涉和符合工作要求的前提下选择一条行程最短、能量消耗最小和机械臂空间变换最少的路径；