基于SimMechanics的机械臂工作空间求解

uoanazehiiru

工作的范围，表现机械手可以进行抓取、放置等动作的活动范围，是衡量机械手臂工作能力的的重要指标。利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱，搭建模块模拟机械手臂的杆件，机械臂伸直的情况为机械臂能到达的最远曲面，机械臂卷曲到最短的情况是机械臂能到的最近曲面。最近曲面及最远曲面围成的为机械手臂的运动空间。
关键词：SimMechanics；机械臂；工作空间
1 机械臂模型建立
在SimMechancis工具中选择Body模块代表腿部各杆，Revolute模块代表各关节，在Sine wave模块中设置方程向关节施加运动，并将足端的位置信息通过To WorkSpace发送至工作空间。
以4自由度机械臂为例，设机械臂肩关节具有，左右回转及上下俯仰两个自由度，肘关节腕关节各具一个上下俯仰自由度，模型建立如图1。根据机械臂的大臂、小臂、手掌长度设为l1、l2、l3，各关节转动角度为θ1、θ2、θ3、θ4，具体参数如表1。
当机械臂伸直的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最远位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最远工作空间的边界；当机械臂卷曲至最短的情况，机械臂能到达的曲面为机械臂末端能到达位置的最近位置，在该状态下机械臂末端的位置拟合的曲面为机械臂最近工作空间的边界。
当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持0°不变，所得到的位置信息代表机械臂最远工作位置的曲面信息。当各关节转动角度为θ1、θ2按函数规律变化，转过所转角范围内的所有值，θ3、θ4保持-2/π不变，所得到的位置信息代表机械臂最近工作位置的曲面信息。
2 数据处理
利用Matlab中的函数对收集的位置信息进行拟合，分别调用surf（）函数绘制机械臂末端最远位置曲面及最近位置曲面，该双曲面中间所夹区域为所求机械臂的工作空间。Matlab机械臂的工作空间求解结果如图2所示。
3 结束语
作者以4自由度机械臂为例，利用Matlab/Simulink中的SimMechanics工具箱，模拟手臂的杆件，方正方式可靠，收集机械臂的末端信息数据合理。利用绘图函数进一步绘制出机械臂的工作区域，所得工作空间轮廓清晰、完整。此方式求解过程避免了冗杂的计算，结果直观。并可从关节机器人，进一步推广到移动关节机器人工作空间的求解。
参考文献
[1]陈培善.基于Matlab的机器人工作空间求解方法[J].机械科学与技术，2009，28（12）：1657-1659.
[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Sim-ulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.
[3]赵献丹，何庆中，刘明，等.基于MATLAB的微电驱串联机械手工作空间域解算与仿真[J].四川理工学院学报，2006，19（5）：5-8.
[4]Piao M B，et al. Research on workspace of a two-arm surgical robot[A]. Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Mechatron-ics and Automation[C].2007.