串联机器人机械臂工作空间与结构参数的分析.pdf

在现代工业中，机器人技术是一项重要的创新性技术。串联机器人作为一种常见的机器人类型，其机械臂的工作性能受到工作空间和结构参数的显著影响。工作空间是指机械臂末端执行器能够达到的所有位置的集合，而结构参数通常包括杆件长度、关节旋转角度等。通过分析这两个方面，可以对串联机器人的运动灵活性和工作能力有一个准确的了解。 传统的分析方法包括图解法和解析法，但这些方法存在局限性，导致分析结果的精确程度不够。为了提高精确度，当前研究中趋向于采用新型的分析方法，例如蒙特卡洛法，这是一种数值方法，通过随机抽样来解决数学问题。蒙特卡洛法对于计算机械臂工作空间具有良好的适用性，能够适应各种关节变量的变化范围，不受维数的影响。 蒙特卡洛法分析串联机器人工作空间的一般步骤包括：根据串联机器人运动学正解计算末端执行器的位置向量。利用随机函数生成一系列伪随机数值，用于计算随机步长，通过这些随机数值计算出机械臂末端坐标的集合。第三步，将这些坐标点通过描点的方式在图形设备中显示，形成工作空间点集云图。通过自适应划分网格方法计算工作空间的体积。 自适应划分网格方法在计算工作空间体积时的步骤包括：建立长方体外包网格，将点云P的坐标值利用，确定工作空间在X、Y、Z方向上的最小和最大值，据此建立长方体网格。接着，将空间划分为子网格，通过设定阈值和遍历搜索算法去除多余的空间子网格。然后，对边界空间子网格进行寻找和细分，最后根据网格数量和边界网格细分次数计算空间体积，并对体积值进行修正。 结构参数分析中，机械臂的杆件长度直接影响工作空间。机械臂通常具有5个转动关节：腰关节、肩关节、肘关节、腕俯仰关节和腕回转关节。研究发现，腰关节的杆件长度变化对工作空间影响不大，而手臂杆件长度的变化则会显著影响工作空间。设计机械臂时，需要考虑机器人模型大小和在各种工作状态下机械臂的重心稳定性。 关节旋转角度对工作空间也有显著影响。除了腕回转关节外，其他四个关节的旋转角度均会影响工作空间，其中腰关节的旋转角度影响最小。但需要注意的是，当腰关节在-180°到180°范围内旋转时，能够获得最大的工作体积。因此，在设计机械臂时，需要对关节旋转角度进行详细的考量。 总体而言，串联机器人机械臂的工作空间和结构参数分析是一个复杂的工程问题，涉及机械设计、运动学以及数值计算等多个领域。通过利用现代分析方法，特别是蒙特卡洛法，可以更准确地预测和优化机械臂的工作性能，进而为工业自动化带来革新。这项工作不仅具有科研价值，同时对社会经济发展具有深远的影响。