一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，运用UG的结构表达式驱动和MATLAB的link函数分别建立机械臂的结构模型和D‑H模型，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，属于机器人路径优化

技术介绍
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MATLABRobotics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。
技术实现思路
本专利技术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，提供一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，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。本专利技术采取的技术方案为：一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，该方法包括以下步骤：(1)采用UG对多自由度注塑机械臂建立参数化驱动的模型；(2)建立传递函数为M函数，M函数以机械臂的运动参数与控制参数为输入，以机械臂在有限空间的运动轨迹为输出；(3)通过设定GUI参数和修改传递文件，将M函数传递给UG运用MATLABRoboticsToolboxlink函数建立机械臂运动学模型，并在MATLAB中建立机械臂控制系统运动学方程；(4)在MATLAB中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；(5)将UG作为MATLAB/Simulink中的运动分析计算引擎，实时提供机械臂在当前运动参数和控制参数下的运动分析，根据当前运动情况计算下一时刻机械臂的运动参数和控制参数，将MATLAB/Simulink的控制系统模块嵌入到UG中，在每个时间迭代步，计算机械臂的实时运动参数以确定最优轨迹，在协同仿真模式下，NX和MATLAB/Simulink的仿真条件根据当前系统运行条件解算确定。步骤(9)中，在不考虑摩擦力等外界干扰的作用，机械臂的动力学方程为：D(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=τ---(8)]]>式中：D(q)—n×n阶对称正定的惯量矩阵；—n×n阶离心力和哥氏力项；G(q)—重力项。基于M函数的Simulink控制器与机械臂的仿真模型函数关系式为：τ=f0(q··d,q·d,qd,q,q·)---(9)]]>q··=f1(q,q·,τ)---(10)]]>式中：τ—控制器输出与受控对象输入的关节驱动力矩/力，q—关节的角速度和角位移；qd—期望关节轨迹的角加速度，角速度和角位移。D(q)=P1+P2+P3+2P4cosq3P2+P3+P4cosq3P3+P4cosq3P2+P3+P4cosq3P3+P4cosq3P4cosq3P3+P4cosq3P4cosq3P3]]>C(q,q·)=-2P4q·3sinq3-P4q·3sinq3-P4q·3sinq3P4q·2sinq3P4q·2sinq3P4q·2sinq3P4q·1sinq3P4q·1sinq30]]>G(q)=P5gcosq1+P6gcos(q1+q2)+P7gcos(q1+q2+q3)+P8gcos(q1)P6gcos(q1+q2)+P7gcos(q1+q2+q3)P7gcos(q1+q2+q3)]]>P＝[P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8]为线性后的参数向量式中：P1＝I1+m1r12+(m2+m3)l12；P2＝I2+m2r22+m3(l1+l2)2；P3＝I3+m3r32；P4＝m2r2l1+m3r3(l1+l2)；P5＝m1r1；P6＝m2r2；P7＝m3r3；P8＝(m2+m3)l1；g—重力加速度。本专利技术的有益效果：与现有技术相比，本专利技术效果如下；(1)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；(2)因多自由度机械臂系统动力学模型高度复杂，耦合性强，具有非线性时变性，运用结构动力学和控制系统运动学协同仿真规划机械臂轨迹精确性高，并采用M函数的机械臂控制系统建模仿真，通用性强，是一种简单可靠、行之有效的机械臂控制系统仿真方法；(3)以有限空间为约束条件，在机械臂轨迹优化的仿真过程中，通过M函数设定的参数按某种规律变化的时变参数，规划过程中的关节角变化、运动时间优化和末端轨迹优化等，波动小，计算稳定，收敛迅速。附图说明图1是有限空间约束条件下注塑机械臂模型；图2是注塑机械臂D-H坐标系；图3是注塑机械臂运动路径(A：起点，B：终点)图4是注塑机械臂协同仿真前长臂关节运动轨迹；图5是注塑机械臂协同仿真前末端运动轨迹；图6是注塑机械臂关节角变化曲线；图7是机械臂协同仿真机制原理；图8是NX嵌入MATLAB/Simulink具体实现流程；图9是控制系统协同仿真结构图；图10是注塑机械臂末端轨迹拟合曲线；图11是注塑机械臂协同仿真长臂关节运动轨迹图；图12是注塑机械臂协同仿真末端运动轨迹图。具体实施方式下面结合附图及具体的实施例对本专利技术进行进一步介绍。实施例1：一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，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，有限空间约束条件下机械臂在有限空间运动轨迹示意图，如图1所示，图中，A、B：注塑机；C：机械臂；D：传输带；表1表达式驱动机械长臂建模参数名称计算公式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)采用UG对多自由度注塑机械臂建立参数化驱动的模型；(2)建立传递函数为M函数，M函数以机械臂的运动参数与控制参数为输入，以机械臂在有限空间的运动轨迹为输出；(3)通过设定GUI参数和修改传递文件，将M函数传递给UG运用MATLAB Robotics Toolboxlink函数建立机械臂运动学模型，并在MATLAB中建立机械臂控制系统运动学方程；(4)在MATLAB中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；(5)将UG作为MATLAB/Simulink中的运动分析计算引擎，实时提供机械臂在当前运动参数和控制参数下的运动分析，根据当前运动情况计算下一时刻机械臂的运动参数和控制参数，将MATLAB/Simulink的控制系统模块嵌入到UG中，在每个时间迭代步，计算机械臂的实时运动参数以确定最优轨迹，在协同仿真模式下，NX和MATLAB/Simulink的仿真条件根据当前系统运行条件解算确定。

【技术特征摘要】
1.一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：(1)采用UG对多自由度注塑机械臂建立参数化驱动的模型；(2)建立传递函数为M函数，M函数以机械臂的运动参数与控制参数为输入，以机械臂在有限空间的运动轨迹为输出；(3)通过设定GUI参数和修改传递文件，将M函数传递给UG运用MATLABRoboticsToolboxlink函数建立机械臂运动学模型，并在MATLAB中建立机械臂控制系统运动学方程；(4)在MATLAB中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；(5)将UG作为MATLAB/Simulink中的运动分析计算引擎，实时提供机械臂在当前运动参数和控制参数下的运动分析，根据当前运动情况计算下一时刻机械臂的运动参数和控制参数，将MATLAB/Simulink的控制系统模块嵌入到UG中，在每个时间迭代步，计算机械臂的实时运动参数以确定最优轨迹，在协同仿真模式下，NX和MATLAB/Simulink的仿真条件根据当前系统运行条件解算确定。2.根据权利要求1所述的一种基于UG和MATLAB的多自由度注塑机械臂建模方法，其特征在于：步骤(3)中，在不考虑摩擦力等外界干扰的作用，机械臂的动力学方程为：D(q)q··+C(q,q·)q·+G(q)=τ---(8)]]>式中：D(q)—n×n阶对称正定的惯量矩阵；—n×n阶离心力和哥氏力项；G(q)—重力项。基于M函数的Simulink控制器与机械臂的仿真模型函数关系式为：τ=f0(q&C...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗宁康，梅益，曹贵崟，王莉媛，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52