白文斌

摘要：本文主要介紹了平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手在太陽能電池串全自動疊焊設(shè)備上運動時位姿的數(shù)學(xué)模型及算法，還介紹了平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手的實際工況中，已知機(jī)械手目標(biāo)位姿的坐標(biāo)，求解機(jī)械手各關(guān)節(jié)需要轉(zhuǎn)動的角度的計算公式及推導(dǎo)過程，為控制平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手運動軟件編程提供理論數(shù)學(xué)算法依據(jù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手;平面三關(guān)節(jié);控制算法

平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手在太陽能電池串全自動疊焊設(shè)備中應(yīng)用較廣，與龍門式直角坐標(biāo)機(jī)械手相比，具有運動范圍大，占地空間小的特點。由于太陽能電池串全自動疊焊機(jī)工序較多，在有限的設(shè)備空間內(nèi)，龍門式直角坐標(biāo)機(jī)械手無法滿足設(shè)備自動運行的工序要求。而選擇平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手可以有效解決此問題。

平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手的控制，多數(shù)都是控制各個關(guān)節(jié)的動力裝置，讓各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而讓機(jī)械手末端產(chǎn)生一定位移。平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手應(yīng)用于太陽能電池串全自動疊焊設(shè)備中，在一個動作節(jié)拍中需要將工件從一個位置準(zhǔn)確地移動到另一個位置，在此過程中，機(jī)械手的位姿往往是未知的，需要反推機(jī)械手相對于初始位姿變化規(guī)律。

平面三關(guān)節(jié)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，它包括基座、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)三部分組成。在太陽能電池串全自動疊焊機(jī)的實際應(yīng)用中，基座是固定的，腕關(guān)節(jié)上的機(jī)械手需要移動到第一工位，抓取工件，之后從第一工位移動到第二工位，釋放工件。在此運動過程中，肩、肘、腕關(guān)節(jié)的長度由機(jī)械結(jié)構(gòu)確定，需要推導(dǎo)出肩、肘、腕關(guān)節(jié)分別移動的角度與第一位移、第二位移之間運動關(guān)系的數(shù)學(xué)公式，才能寫出相應(yīng)的控制算法，從而控制機(jī)械手從第一工位精確的移動到第二工位，保證設(shè)備的運行精度。

為簡化計算，設(shè)定機(jī)械手初始位置時肩、肘、腕三關(guān)節(jié)均豎直向上。機(jī)械手腕關(guān)節(jié)移動到第一工位時腕關(guān)節(jié)需垂直向下，數(shù)學(xué)模型如圖2所示。以肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心為O點，水平向右的方向為x軸，豎直向上的方向為y軸，建立坐標(biāo)系，機(jī)械手位于第一工位為O’點時，O’點坐標(biāo)為（X，Y），肩、肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為A，肘、腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離為B，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度為α，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度為β，腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度為γ。

由以上公式可得出機(jī)械手腕關(guān)節(jié)在運動范圍內(nèi)任意位置時各關(guān)節(jié)所旋轉(zhuǎn)的角度，或各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)任意角度時的位置坐標(biāo)。

當(dāng)要從第一工位移動到第二工位時，只需分別算出這兩個工位的各種位姿參數(shù)，二者相減即可得出相對變化的參數(shù)。將各種參數(shù)嵌入到機(jī)械手控制程序中，就可以輕松控制機(jī)械手進(jìn)行各種精確動作。

參考文獻(xiàn)

機(jī)械設(shè)計手冊編委會.機(jī)械設(shè)計手冊（新版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

陳加海等.太陽能電池串全自動疊焊機(jī)[P].中國專利：201510419409.1，2015–07–17.

[意]Bruno Siciliano（布魯諾·西西利亞諾），[美]Oussama Khatib（歐沙瑪·哈提卜）.機(jī)器人手冊[M].《機(jī)器人手冊》編譯委員會譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.