飞机蒙皮清洗机器人的运动分析和轨迹规划.pdf

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1、第４期（总第２０３期）机械工程与自动化Ｎｏ．４２０１７年８月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＡｕｇ．文章编号：１６７２６４１３（２０１７）０４０００７０３飞机蒙皮清洗机器人的运动分析和轨迹规划櫜王涛１，熊中能２，李阳１，王宁１（１．中国民航大学航空工程学院，天津３００３００；２．中国民航大学电子信息与自动化学院，天津３００３００）摘要：针对现阶段飞机蒙皮清洗的手工作业方式劳动强度大和工作效率低等问题，提出采用工业机器人代替手工作业进行飞机蒙皮清洗的方案。以ＦＡＮＵＣＲ

2、２０００ｉＢ＿１２５Ｌ型机器人为研究对象，运用经典的Ｄ－Ｈ原则，构建了机器人的Ｄ－Ｈ模型并对其进行运动分析，得到其连杆参数和关节运动的角度、角速度和角加速度曲线，验证了模型的正确性。通过不同的轨迹规划方法对轨迹进行优化，得到了更加符合实际生产要求的机器人轨迹曲线，为确定机器人在飞机蒙皮表面清洗的运动轨迹提供了理论依据。关键词：清洗机器人；运动分析；模型构建；轨迹规划中图分类号：ＴＰ２４２．６文献标识码：Ａ０引言α犻表示从犣犻－１轴到轴犣犻绕犡犻旋转的转角，绕犡犻轴逆飞机在飞行和停放期间，其表面会沉积烟雾、

3、灰时针转向为正；关节距离犱犻表示从犡犻－１轴到犡犻轴沿尘、油污和氧化物等污染物，因此，对飞机蒙皮进行清犣犻－１测量的距离，沿犣犻－１轴指向为正；关节转角θ犻表示洗，去除其表面沉积物，既保证了飞机的美观，又延长从犡犻－１轴到犡犻轴绕犣犻－１旋转的转角，绕犣犻－１轴逆时了飞机的使用寿命。目前飞机蒙皮表面的清洗基本仍针转向为正。由此建立了如图２所示的ＦＡＮＵＣ采用手工作业方式，生产效率低、工作环境差、劳动强Ｒ２０００ｉＢ＿１２５Ｌ型工业机器人的６个坐标系。通过度大［１］、机体表面质量不稳定。ＦＡＮＵＣＲ２０００

4、ｉＢ＿１２５Ｌ的产品使用说明书，得到了连工业机器人广泛应用于航天、医疗、军事、日常生杆参数的具体数值，详见表１。活及教育娱乐等各个领域，是一项非常成熟的技术。目前人们已提出采用工业机器人代替手工作业进行飞机蒙皮清洗的方法，通过机器人工作的高效性来弥补现阶段人工作业的不足［２－３］。本文以ＦＡＮＵＣＲ２０００ｉＢ＿１２５Ｌ型机器人为研究对象，运用经典的Ｄ－Ｈ原则［４］，构建了机器人的Ｄ－Ｈ模型并对其进行运动分析，得到其连杆参数和各个关节运动的角度、角速度和角加速度随时间变化的函数图像；采用对称［５］和非对称

5、［６］组合正弦函数轨迹规划方法，在考虑运动学约束的条件下，得到满足约束条件的加速度、速度和位移函数的表达式。将这些函数和机器人原始的轨迹进行对比分析，为研究机器人在飞机蒙皮表面清洗的运动轨迹提供理论依据。图１ＦＡＮＵＣＲ２０００ｉＢ＿１２５Ｌ图２ＦＡＮＵＣ机器人Ｄ－Ｈ模型１清洗机器人运动学建模型工业机器人研究对以日象本，其Ｆ本ＡＮ体Ｕ结Ｃ构Ｒ２如００图０ｉ１Ｂ＿所１２示５Ｌ，它型的工前业３机个器关人为节２犉犃犖犝犆犚２０００犻犅＿１２５犔型机器人在犕犃犜犔犃犅中的仿真Ａｘｉｓ１、Ａｘｉｓ２和Ａｘｉｓ３控制

6、着机器人末端手腕的位通过软件建立相对应的六自由度机器人的模型，置，后面的３个关节Ａｘｉｓ４、Ａｘｉｓ５和Ａｘｉｓ６控制着机然后对模型进行仿真来验证第１部分结果的正确性。器人末端手腕的姿态。在ＭＡＴＬＡＢ中建立如图３所示机器人模型。在严格按照Ｄ－Ｈ模型的建立原则，采用４个参数时间为［０１０］ｓ内，以狋＝０．１ｓ为时间步长，设定６（犪犻，α犻，犱犻，θ犻）来描述变换，包括从杆件犻－１到杆件犻个关节的基座和大臂保持不旋转，将其他的关节各旋的平动和转动。其中：杆件长度犪犻表示从犣犻－１轴到转６０°，即机器人转角从

7、初始位置［０００００犣犻轴沿犡犻测量的距离，沿犡犻轴指向为正；杆件扭角０］转动到［００π／３π／３π／３π／３］，得到６个关櫜天津市应用基础与前沿技术研究计划（１５ＪＣＱＮＪＣ０４７００）收稿日期：２０１６１２２０；修订日期：２０１７０５０７作者简介：王涛（１９７９），男，天津人，副教授，博士，主要研究方向：工业机器人、数控技术、航空部件数字化制造与修复技术。·８·机械工程与自动化２０１７年第４期节的运动角度、角速度和角加速度随时间变化的函数动范围内，和实际过程对机器人的运动要求相吻合，验图像，

8、如图４所示。证了建立的机器人运动模型的准确性。表１ＦＡＮＵＣＲ２０００ｉＢ＿１２５Ｌ关节机器人连杆参数犻犪犻（ｍｍ）α犻（°）犱犻（ｍｍ）θ犻（°）０００００１３１２－９０６７００２１３０００００３０９０００４０－９０１６３５９０５０９００－９０６００００由图４可以看出：机器人的运动角度、角速度和角加速度都随时间平稳变化，并且都在机器人允许的运图３机器人模型图４机器人各关节轨迹曲线３清洗轨迹规划从加速度函数入手，令：段使得规机