六自由度工业机械动力学模型简化分析

　　摘 要：拉格朗日方程是通用六自由度工业机械臂进行动力学分析的常用方法。然而，当关节自由度多于三时，其动力方程的展开式相当复杂，完整地求出其表达式并不现实。本文首分析了六自由度机械研究发展，然后分析了机械模型之中的动力学模型的解析，最后分析了工业机械的监控分析。
　　关键词：六自由度；工业；机械；力学模型；
　　机械臂可根据一定的程序和轨迹模仿人手部的部分动作要求，从而展开自动抓取和搬运，其操作系统是自动化装置，且机械臂对控制实时性要求极高。随着科学技术的发展飞速，传统机械臂控制系统早已适应不了现代化的要求，早期基于PLC的机械臂控制系统输入/出较为缓慢，且其间所采用的算法冗余过多，造成程序扫描时间太长，从而导致电机控制实时性缺失。因此，分析基于PLC的六自由度机械臂控制系统，对我国机械臂控制系统研究有着极大现实意义。
　　一、六自由度机械研究发展简析
　　六自由度机械臂也就是多自由度机械臂，其属于典型的强耦合多输入/输出的非线性系统，可以说目前对机械臂轨迹快速跟踪控制研究较多，但其间许多重点还未被突破，面临诸多问题。具体而言，机械臂建模及机械臂控制系统研究是十分关键的。
　　六自由度机械臂绝大多数都是工业型机器人，其可实现自动搬运和装配，且可以自动焊接与喷涂。固高科技GRB系统的六自由度机器人可谓是固高成熟健全的运动控制技术，其间具备先进的设计及教学理念，可充分满足工业现场的各方面要求，更是教学及科研机构运动规划的关键内容，亦是编程系统设计最为适宜的对象。
　　机械臂建模是基于机械臂的相关特点而实现的，往往机械臂分布质量为三维的，且其属多自由度结构，以牛顿力学得出机械臂动力学方程式十分困难的，但是基于拉格开朗日力学则仅获得相应的能量项，且于许多条件下应用十分方便；机械臂控制系统的研究所采用的方式多是模糊自适应控制及神经网络自适应控制，亦或者是鲁棒自适应控制和滑模变结构控制，不过这些方式实现过程非常复杂。而逆系统方式属于反馈线性化方式，其强调以对象逆系统建立可用反饋化方式实现的α阶积分逆系统，主要是将对象补偿为线性传递关系系统，也就是伪线性系统，之后基于此设计控制器。
　　二、动力学分析
　　为使六个自由度均为旋转副的工业机械臂的连杆加速，驱动器必须有足够大的力和力矩来驱动机械臂连杆和关节，以使它们能够以期望的速度和加速度运动，否则连杆将不能以需要的速度运动，并由于运动迟缓而达不到期望的位置精度。因此，必须建立决定机械臂运动的动力学关系来计算各驱动器所需驱动力。
　　通常使用牛顿力学等方法来确定机器人动力学方程，然而由于机器人是具有分布质量的三维、多自由度的机械装置，利用牛顿力学来确定其动力学方程非常困难。本文利用拉格朗日力学进行分析。用拉格朗日力学建立系统动力学方程时只需考虑系统能量，使用起来较为容易。运动学正反解算法设计其间采用的伺服电机应改变转角来驱动机械臂工作，要将平动盘位置合理定位，同时并联机械臂系统，这里强调的是将其与电机转角准确转换，而其间互相转换主要是运动学正解算法及运动学反解算法这两方面：正解算法则是其间所采用的各台伺服电机转角可推算平动盘于平面中的位置；反解算法则强调的是以平面中平动盘合理推算电机中轴的旋转角度。
　　三、监控系统分析
　　具体而言，监控系统主要是下述几方面构成：其一，主界面。主界面可全面显示六自由度并联机械臂的实际结构，还有其电机左右抱闸控制及伺服锁定控制，且采用指示灯来指示状态，从而及时观测机械臂实时位置；其二，自动控制界面。此界面中具备机械臂的自动运行按键，比如自动启动及STOP等类按钮，亦可设置自动运行中的许多位置和屏障高度，且此界面还应设置适宜的铁片，其厚度应适宜六自由度机械臂控制，还有其循环次数及运动速度等类参数；其三，手动控制界面。该界面可实现机械臂的手动操作，比如其相应的点动，并严格指定相关位置绝对移动；其四，报警界面。此界面主要是以指示灯指示相应的方向，警示其越限和轴错误，同时设置相应的按钮，如果出现越限警报，则可及时按下清除按钮将机械臂恢复于原始位置。
　　四、模型简化分析
　　为了证明通用六自由度工业机械臂动力学模型简化为前三自由度机械臂动力学模型的可行性，在ADAMS 中对其进行分析。设六自由度工业机械臂中各个关节的输入轨迹为 qd=cos（πt）- sin（πt），所以 速 度 为 q觶 d=- πsin（πt）- πcos（πt），加 速 度 为 q d= - π2cos（πt）+π2sin（πt），因此，各关节的最大速度值为姨2 π rad/s。当只考虑前三自由度动力学特性时，各关节输入相同的轨迹，并令后三关节固定不动。
　　结束语
　　随着国家经济水平的快速提升，科学技术亦随之飞速发展，各类高性能及多功能机械被研发和应用。基六自由度机械臂快速推动了我国机械臂功能水平的提升，且促进了我国六自由度机械臂的进一步发展，可推动我国工业生产及机械制造业的快速发展，以此促进我国经济水平的快速提升，从而提升我国在国际上的竞争力，同时也提高了我国的国际地位。本文对六自由度机械臂研究发展进行了简析，探讨了六自由度机械臂结构，全面分析了的六自由度机械臂控制，为我国机械臂控制系统设计水平的提升提供可靠的理论性依据。
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　　（作者单位：山西农业大学信息学院）

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