陳玥琳

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

機(jī)器人是人類(lèi)新紀(jì)元以來(lái)最偉大的發(fā)明之一，機(jī)器的自動(dòng)化運(yùn)作將人們的雙手從勞動(dòng)中解放出來(lái)，從而進(jìn)行更有價(jià)值的技術(shù)理論研究。一個(gè)國(guó)家的自動(dòng)化水平可以從這個(gè)國(guó)家的工業(yè)機(jī)器化程度上來(lái)體現(xiàn)。到今天，機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)甚至旅游業(yè)等第三方產(chǎn)業(yè)，大到維護(hù)國(guó)家安全，小到運(yùn)送商品。機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展使得社會(huì)飛速進(jìn)步，我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展也使我國(guó)逐漸成為世界制造業(yè)的中心，自動(dòng)化工作的效率是影響我國(guó)邁向制造強(qiáng)國(guó)的因素之一。機(jī)器人的精準(zhǔn)度是機(jī)器在工作運(yùn)行過(guò)程中很重要的一項(xiàng)功能，也是判斷機(jī)器人是否能擔(dān)當(dāng)此項(xiàng)工作的重要指標(biāo)。在一些要求高精準(zhǔn)度的工作中，比如裝配、焊接、測(cè)量等，機(jī)器人的精準(zhǔn)度要求更加嚴(yán)苛。因此，工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化控制的精準(zhǔn)可靠度的研究勢(shì)在必行。

1 智能機(jī)器人自動(dòng)化控制可靠性分析

1.1 機(jī)械精準(zhǔn)度可靠性分析工具

本文所使用的仿真分析工具，是基于機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析理論的運(yùn)動(dòng)精度可靠性分析工具。機(jī)械動(dòng)力自動(dòng)分析是將建模、計(jì)算、得出結(jié)論和立體可視化集于一體的仿真分析軟件。機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析是一種功能非常強(qiáng)大的軟件，機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析不僅可以用于虛擬樣機(jī)的分析、虛擬機(jī)械數(shù)字化平臺(tái)的靜態(tài)動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)分析。并且可以作為開(kāi)發(fā)虛擬操作產(chǎn)品的工具。基本步驟圖如圖1所示。

圖1 基本步驟圖

使用者可以根據(jù)使用習(xí)慣自主設(shè)置菜單選項(xiàng)、對(duì)話(huà)框有無(wú)，甚至可以輸入代碼命令自動(dòng)重復(fù)機(jī)械化檢測(cè)和計(jì)算工作。

1.2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)可靠性分析方法

機(jī)器可靠性分析的重點(diǎn)目標(biāo)是建立起機(jī)器性能的輸出參數(shù)以及影響這些輸出參數(shù)變化的隨機(jī)變量之間的關(guān)系，可以建立起相關(guān)的函數(shù)模型。

與應(yīng)力—強(qiáng)度干涉模型類(lèi)似，設(shè)一個(gè)功能函數(shù)為其中，ΔY表示輸出誤差，δ表示允許極限誤差。假設(shè)ΔY為正態(tài)分布，即：

可靠度R為

根據(jù)公式（1）（2）代入數(shù)據(jù)得到輸出誤差及允許極限正態(tài)分布特征數(shù)值后，即可得出可靠度R。

2 智能機(jī)器人自動(dòng)化控制可靠性計(jì)算分析

2.1 建立虛擬樣機(jī)

本文所使用的機(jī)械動(dòng)力學(xué)自主分析中的仿真模型需要實(shí)現(xiàn)必要的參數(shù)化以方便對(duì)樣本施加約束或運(yùn)動(dòng)命令，這些功能都是基于可視化模塊中提供的建模工具直接建立起機(jī)器人的虛擬模型。

建立模型后，可以通過(guò)各種約束來(lái)約束部件之間的某些相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并將不同的部件連接起來(lái)，形成一個(gè)機(jī)械數(shù)字平臺(tái)。增加約束可以減少數(shù)字平臺(tái)的自由度，不同的約束可以減少不同的自由度。受約束的運(yùn)動(dòng)，如使一個(gè)部件在特定的時(shí)間內(nèi)按特定的軌跡有規(guī)律地運(yùn)動(dòng)。

2.2 機(jī)器人自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)可靠性分析

在建立虛擬模型后，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，虛擬樣機(jī)還存在許多不足之處，設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步改變。在可視化顯示模塊中提供了參數(shù)化方法:參數(shù)化表達(dá)是自動(dòng)化機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析中應(yīng)用最廣泛的參數(shù)化表達(dá)方式，在建立仿真模型的過(guò)程中基于可視化顯示，需要輸入?yún)?shù)值，可以使用參數(shù)化表達(dá)進(jìn)行參數(shù)化。

需要考慮的影響因素已在前一篇論文中參數(shù)化。利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析命令語(yǔ)言可編制運(yùn)動(dòng)仿真程序。關(guān)于制度可靠性，研究對(duì)象不是單一的制度，而是一種制度。因?yàn)闄C(jī)器人的連接桿尺寸誤差和間隔誤差會(huì)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)規(guī)則變化，而每種型號(hào)的機(jī)器人的誤差變化范圍都不一樣，所以需要進(jìn)行多次的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)仿真操作。

2.3 機(jī)器人自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)可靠性計(jì)算

自定義菜單建立后，需要自定義菜單相對(duì)應(yīng)的機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析對(duì)話(huà)框。為了方便用戶(hù)使用機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析，機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析為用戶(hù)提供了對(duì)話(huà)框編寫(xiě)工具，可以開(kāi)啟新的對(duì)話(huà)框，使用者也可以自主操作修改現(xiàn)有的對(duì)話(huà)框。

使用者還可以利用編程語(yǔ)言的對(duì)話(huà)框功能，對(duì)計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可靠度的對(duì)話(huà)框進(jìn)行修改。在不同的變量環(huán)境中分別對(duì)機(jī)器人進(jìn)行多次仿真操作，用相同的格式保存數(shù)據(jù)文件，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并且計(jì)算誤差，以求得可靠度。至此，機(jī)器人自動(dòng)化控制的可靠性探究方法建立完成。

3 實(shí)驗(yàn)

準(zhǔn)備20個(gè)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行自動(dòng)化控制仿真實(shí)驗(yàn)，變量為時(shí)間長(zhǎng)度和次數(shù)，檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人的位移、速度和加速度可靠度如表1。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可靠性進(jìn)行計(jì)算和分析，利用機(jī)械動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件建立了機(jī)器人的參數(shù)化仿真模型，為用戶(hù)模擬不同尺寸的機(jī)器人提供了一種有效的方法，使利用數(shù)字技術(shù)計(jì)算機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可靠性成為可能。同時(shí)，對(duì)連接桿的尺寸誤差和間隔誤差的影響進(jìn)行分析和計(jì)算實(shí)驗(yàn)，并且將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，最終證明了方法的有效性，基于此為復(fù)雜的機(jī)器人自動(dòng)化運(yùn)行可靠性分析設(shè)計(jì)了一種有效的計(jì)算方式。

表1 檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)實(shí)際參數(shù)和表1數(shù)據(jù)的對(duì)比可以知道，本文計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量所得數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果相符合，說(shuō)明本文提出的數(shù)字化虛擬樣機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)器人運(yùn)動(dòng)精度可靠性的方法是可行的。