基于三菱工业机械手的绘画机器人

杨 维，畅子威，张婉莹

（陕西国防工业职业技术学院机电工程学院，陕西 西安710300）

基于三菱工业机械手的绘画机器人

杨 维，畅子威，张婉莹

（陕西国防工业职业技术学院机电工程学院，陕西 西安710300）

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。设计以三菱六自由度工业机器人为主体，设计了绘画机器人的手部，采用MELFA-BASIC-V语言进行编程，最终实现了机器人绘画。

工业机器人；绘画；示教编程

随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，工业机器人已经成为工业生产中提高劳动生产率的重要因素。工业机器人在实现各种要求的工序前提下，大大提高了工业过程的质量，而且大大解放了生产力，改善了工作环境，减轻了劳动强度，节约了成本，提高了生产效率。本文利用六自由度工业机器人为执行元件，通过示教再现的方式实现了机器人绘画。

1 绘画机器人手部设计

机器人的手部是指安装于机器人手臂末端，直接作用于工作对象的装置。工业机器人所要完成的各种操作，最终都必须通过手部来得以实现，本文将六自由度机械手的手部设计为笔筒形状来完成规定绘画动作。

1.1 执笔器设计

为满足绘画机器人绘制精细画的要求，本文设计了一种固定的执笔器。执笔器的主要作用是连接画笔和机械臂末端手。为了实现执笔器的虚拟装配，特意测量了机器人末端抓手的机械数据，然后经过绘制和装配，得出如图1所示的机器人执笔器。执笔器采用数控车床加工，笔筒为半径25 mm的空心圆柱体，和工业机器人连接的部分采用50 mm的台阶[1]。

图1 执笔器

1.2 手部加工

绘画机器人手部材质采用铝制材料，用白板笔作为画笔。通过数控车床车削、钻孔、镗孔等加工工艺实现了笔筒的加工。手部与工业机器人连接部分采用沉头螺钉连接[2-3]。部分加工程序如下：

车外圆

O0001

T0101

M03 S600

G00 X52 Z3

G71 U2 R1

G71 P10 Q20 U0.2 W0.1 FO.2

N10 G00 X18

G01 Z0 F0.15

X20 Z-1 F0.1

Z-39.5

X48

X50 Z-40.5

N20 X50.5

G70 P10 Q20 S800

G00 X100 Z150

M05

M30

O0002

T0404

M03 S600

G00 X14 Z3

G01 Z0 F0.15

X13.2 Z-0.5 F0.1

Z-10

X12.5

Z3 F1

G00 Z200 X50

M05

M30

2 绘画机器人关节控制

机器人运动学由正向和逆向运动学构成。正向运动学是在给出各关节变量的条件下计算机器人的关节变量，从而得出机器人末端位姿；而逆向运动学是已知机器人末端位姿的条件下得出机器人对应位姿的全部关节变量。机器人平衡装置影响着大臂、小臂的平衡，大臂台座安装在机器人的回转平台上，将大臂连杆的下端关节支承在台座上，大臂连杆的上端关节则用于支承小臂。本文设计的绘画机器人拥有六个旋转自由度。为了实现机器人各关节协调工作，通过放置在各关节的传感器将数据传递给计算机，使得控制系统得知关节位置。

3 绘画机器人控制

目前常用的绘画机器人控制方法有描点法，首先将图画处理成线条，再将线条分解成点集后解算逆解，最后机器人按这些点形成图画，不能体现绘画机器人仿人的特点，且笔迹不光滑、重影严重。这种常用的方法同面性差、重影严重且通用性不强。

本设计采用路径规划法，该方法是对描点法的改进，处理成线条后进行轨迹规划，将描绘线条的点数尽可能减少再形成图画。将一幅图分解成线段与点，将画面放置于一个水平面上，测量每个必需点的空间坐标。依据这些点空间坐标和要求的姿态，通过机器人逆运动学求解出每个空间坐标所对应的关节角度。各关节活动如图2所示。

图2 机器人关节活动示意图

本设计采用MELFA-BASIC-V语言进行编程，主要应用直线、圆弧插补等指令。此外机器人利用RT-TOOLBOX3.2软件进行示教采点[4]。绘画效果如图3所示。

图3 工业机器人绘画效果

4 结束语

本设计在现有机器人基础上改造了软件和硬件，使控制对象满足绘画的要求。在硬件设计过程中，执笔器达到有针对性的设计指标。为了满足绘画机器人的使用环境，在 Pro/Engineer软件环境下，经过应力分析多种结构后最后设计出了满足了设计要求的固定执笔器。在软件设计中，采用MELFA-BASIC-V编制整个控制程序，实现了机器人绘制简笔画。

[1]徐秀娟.机械制图[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[2]黄雨田.机械制造技术[M].北京：北京理工大学出版社，2014.

[3]潘 东，赵 熹.数控加工技术[M].北京：北京理工大学出版社，2012.

[4]杨 维，修学强.机器人制作与编程[M].北京：科学出版社2013.

Painting Robot Based on the MITSUBISHI Manipulator

YANG Wei，CHANG Zi-wei，ZHANG Wan-ying
（Department of Electrical and Mechanical Engineering，Shaanxi Guofang Institute of Technology，Xi’an 710300，China）

The industrial robot is a mechanical，electronic，control，computers，sensors，automation equipment，artificial intelligence and other advanced technology.The design of the MITSUBISHI industrial robot with six degrees of freedom as the main body，using MELFA-BASIC-V language programming，finally realized the painting robot.

industrial robot；painting；teaching programming

TP241.2

B

1672-545X（2017）09-0125-02

2017-06-27

本文受到陕西国防工业职业技术学院院级课题资助（Gfy17-26）

杨 维（1983-），女，陕西户县人，本科，讲师，研究方向为机电一体化技术。