基于UG和ADAMS的采摘機器人動力學仿真分析

李卓然

(羅定職業技術學院 電子信息系，廣東 羅定　527200)

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基于UG和ADAMS的采摘機器人動力學仿真分析

李卓然

(羅定職業技術學院 電子信息系，廣東 羅定527200)

摘要：為了提高采摘機器人機械手設計的速度，縮短開發周期和時間，并提高設計的準確性，采用UG和ADAMS軟件聯合仿真的方法，對采摘機器人進行了設計優化。首先利用UG軟件對六自由度的采摘機械手進行了三維實體建模，然后采用UG和ADAMS的兼容性接口將模型導入到了ADAMS軟件中，根據實際設計需求添加了約束，最后對機械手進行了動力學仿真。通過仿真計算，得到了機械手各關節的位移-時間曲線和力學分析曲線，通過觀察結構的運動軌跡和受力情況，可以對初始設計階段的機械手進行優化設計，從而提高了設計的效率。

關鍵詞：采摘機械手；聯合仿真；運動分析；ADAMS；UG

0引言

在現代機械結構設計過程中，機械產品不再局限于簡單的靜態平面設計，而三位實體的設計和動力學分析越來越受到設計和開發人員的重視。虛擬樣機是設計人員在開發新產品時，在概念設計階段，為了降低設計成本、減少開發時間，對產品進行的虛擬性測試。對于采摘機器人來說，其關鍵部分設計是采摘機械手的設計，對機械手進行虛擬仿真，可以得到機械手的運動軌跡，分析機械手的性能，提高了采摘機器人開發的效率和可靠性。由于機械手是一種耦合性強的非線性時變系統，在單一軟件中難以進行仿真模擬。為此，在對機械手進行分析時，首先建立了機械手的三維模型，然后將三維模型導入到ADAMS中進行運動學仿真，實現了采摘機器人復雜機械手的仿真。

1機器人UG建模和ADAMS模型導入

采摘機器人的主要部件是機械手，機械手不同的零部件之間存在不同的約束，在設計之前，需要根據零部件的位置和尺寸確定主要的設計參數、設計約束和設計基準。根據模型的圖紙，在UG軟件中建立模型的草圖，然后對草圖進行拉伸、旋轉和掃描等一系列操作建立采摘機器人機械手的各個零部件，最后對零部件進行裝配。建立完成的UG模型如圖1所示。

圖1　采摘機器人機械手UG轉配模型

該模型共由7部分組成，將轉配好的模型可以導入到ADAMS進行動力學分析。ADAMS是專業的虛擬仿真軟件，對機械運動的靜力學、動力學和運動學都有強大的分析功能，但在ADAMS中只能建立比較簡單的模型；要想實現采摘機器人的運動學仿真，需將UG模型導入到ADAMS軟件中。本文使用ADAMS提供的UG數據結構，將模型導入到ADAMS/View模塊中，導入后的效果如圖2所示。

圖2表示導入ADAMS軟件中的機器人仿真模型，其主要過程：首先，將機器人模型在UG軟件中進行保存，保存格式為.txt文件格式；然后，啟動ADAMS軟件新建一個模型；進入工作窗口，在File功能中選擇Import將建立好的模型導入即可；導入模型后便可以在ADAMS中進行運動仿真參數的設置。

圖2　導入ADAMS的UG機器人仿真模型

2ADAMS運動仿真模型和參數設置

在ADAMS/ View操作環境下，如果要讓機器人按照某一規律進行運動，則只需要在機器人上施加一點的驅動，然后利用ADAMS提供的對象測量功能，對整個模型進行分析。本次研究讓平臺從點 (0,6,8)開始運動，運動方式為空間圓錐曲線運動。

運動方程為

(1)

其中，z0表示機器人的初始高度，取值為260mm；S取值為6mm；T取值為2mm。給機器人添加一個質心運動，其運動的軌跡方程為

TraX=3·time·cos(3.14×time)

TraY=3·time·sin(3.14×time)

TraZ=3·time

將仿真時間設置為t=20s，步長為600步，利用ADAMS/View模塊提供的對象測量功能對機器人的每個關節的位移進行測量，然后可以輸出位移-時間曲線；利用曲線處理工具對曲線進行一階和二階求導，便可以得到機器人機械手的速度和減速度曲線。

將模型的各個零件導入到ADAMS之后，零件之間還沒有添加約束，構件之間在ADAMS中是獨立存在的，因此需要給機器人裝配體添加運動約束， ADAMS/View共提供了3種類型的約束，包括基本約束、運動約束和運動副約束。

圖3為機器人添加約束的示意圖。其中，機械臂和執行末端的各個關節之間都是轉動關節，因此可以定義為旋轉副，底座定義為固定副，對每個關節添加驅動，便可以進行運動學仿真。

圖3　機器人添加約束示意圖

3機器人動力學分析

對于采摘機器人機械手的研究，運動學分析是研究的重點，包括姿態、位置和力學分析。利用ADAMS可以輸出機械手各個關節的時間-位移曲線，取主要的3個關節曲線進行輸出，如圖4所示。

圖4　各個關節位移-時間曲線

由圖4可以看出：隨著圓錐曲線運動半徑的增大，機械手的位移變化比較顯著，因此可以根據軌跡的變化對機械結構進行尺寸優化，使其速度和加速度變化緩慢，從而可以在無需重新建模的基礎上，簡化了運動學分析過程。為了進一步研究機構的運動性能，需要對機器人的關節進行力學分析。

在ADAMS中進行力學分析，可以采用New2ton-Euler方法建立動力學模型，并對模型進行求解，而在實際應用中，需要采用你逆動力進行仿真。在對機器人進行運動學反解時，需要在質心點添加一個力，該力的大小為800N，通過計算得到的分析曲線如圖5所示。

圖5　采摘機器人機械手Z方向上的受力

圖5表示通過仿真模擬計算，在Z方向上得到的采摘機器人的受力曲線。由圖5可以看出：機械手在在圓錐運動時，3個關節的受力大致相同，變化不大，因此符合設計的要求。

4結論

應用高級建模軟件UG和虛擬仿真軟件ADAMS，將采摘機器人的建模和運動與動力學分析結合了起來，實現了采摘機器人的運動動力學分析和結構優化設計。軟件建模和虛擬仿真的使用，大大簡化了機械產品的設計開發流程，提高了工作效率，可以使設計人員把更多的精力投入到結構優化中，對于機械設計和制造的創新具有一定的實用價值。

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Dynamic Simulation Analysis of Picking Robot Based on UG and ADAMS

Li Zhuoran

(Department of Electronic Information，Luoding Polytechnic, Luoding 527200,China)

Abstract：In order to improve the speed of the robot manipulator design, shorten the development cycle and time, and improve the accuracy of the design, by using UG and ADAMS software joint simulation method, the picking robot is designed and optimized. Firstly, the 3D solid model of the robot manipulator with six degrees of freedom is modeled by UG software, and then the model is imported into ADAMS by using UG and ADAMS. The model is added to the actual design requirements. Finally, the dynamic simulation of the manipulator is carried out. Through simulation calculation, the displacement time curves and mechanical analysis curves of the joints of the manipulator are obtained by observing the movement track and force of the structure.

Key words：picking manipulator; combined simulation; motion analysis; ADAMS; UG

中圖分類號：S24

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0239-03

作者簡介：李卓然(1989-)，男，哈爾濱人，助教，碩士，(E-mail)714465653@qq.com。

基金項目：國家大學生創新工程項目(2015-2017)

收稿日期：2015-10-26