基于ADAMS的六自由度機器人關節驅動力矩仿真分析

王一輝

（中車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412000）

機器人動力學研究機器人運動與關節驅動力（矩）之間的動態關系，處于不同位置的機器人，各關節的有效慣量及耦合量都是時變的，因此，各關節的驅動力（矩）也是時變的。機器人動力學研究兩類問題：各執行器驅動力（矩）已知，求解關節位移、速度和加速度的動力學正問題；關節位移、速度和加速度已知，求解關節力（矩）的動力學逆問題。本文討論在機器人本體設計開發中具有重要實際意義的動力學逆問題。

1 機器人動力學分析

機器人動力學的Lagrange（拉格朗日法）是基于能量項（動能T、勢能V）對系統變量及時間的微分而建立的。對于任何機械系統，拉格朗日方程為：

L為拉格朗日函數，Ek為系統總動能，Ep為系統總勢能。

系統動力學拉格朗日方程：

將式（1）代入式（2）中，可寫成：

人工計算六自由度機器人的動力學方程工作量非常大，且很難保證結果的準確性，故借助ADAMS仿真軟件對機器人進行動力學分析，求出各關節峰值扭矩。

2 機器人動力學仿真模型

在UG中建立的六自由度機器人三維模型，負載6kg，做動力學分析時對模型做些簡化：①零部件統一剛體化；②省去倒角、細孔等一些對仿真結果影響不大的細節特征。模型從UG中導入到ADAMS中，統一單位，并且使得ADAMS模型的質心坐標系與UG的質心坐標系一致。ADAMS中建立好的機器人虛擬樣機模型如圖1所示。

圖1

3 機器人動力學仿真

樣機設計階段，采用有路徑搜索求解關節峰值扭矩Tmax，即結合機器人實際操作情況，選定一些工作路徑（極限工作狀況的極限空間位置）進行動力學仿真，求解其Tmax。其思路：每個關節選定幾個工況，分別對各工況仿真，得出仿真數據，求解出的最大扭矩是其操作情況下的極限值，可以作為關節峰值扭矩的參考值。

3.1 機器人零位置狀態

將機器人調整到大、小臂水平伸直成一條直線（零位置狀態），如圖2所示。

3.2 關節一峰值扭矩求解

圖2

機器人零位置狀態上設定其余關節以單軸最快角加速度α啟動，模擬各關節耦合情況。一關節的T受四、五、六關節的θ變化影響不大，為了降低求解規模，我們只設定了第二、第三關節的α，不設定四、五、六關節。

關節一仿真工況如表1、運動模式如表2所示。

表1 關節一各工況表

表2 關節一各軸運動模式

對表3各工況進行仿真，結果整理如圖3～8。

圖3 工況一驅動扭矩

圖4 工況二驅動扭矩

關節一電機扭矩（如表3）。

工況一為J1軸單獨運動，其余各工況為關節耦合運動。由表可知，工況一的數值和其余各工況數值不同，說明關節耦合運動影響關節扭矩的求解；數值變化不大，因為機器人處于零位置狀態，J1啟動時只有啟動慣性矩，不管J2、J3如何加速啟動，對回轉中心的轉動慣量改變不大。選取工況六的681.7N為一關節的峰值扭矩參考值。

表3

圖5 工況三驅動扭矩

圖6 工況四驅動扭矩

圖7 工況五驅動扭矩

圖8 工況六驅動扭矩

[1]霍偉.機器人動力學與控制[M].北京:高等教育出版社，2005:7-8.

[2]李慶玲,趙永生.六自由度工業機器人動力學分析與仿真[J].上海機電學院學報,2008,11(4):275-276.

[3]蔡自興.機器人學[M].北京:清華大學出版社,2000:89-92.