七自由度機械臂動力學分析方法

周曉麗 陳永強 穆星科 譚 玨

七自由度機械臂動力學分析方法

周曉麗 陳永強 穆星科 譚 玨

（中國運載火箭技術研究院研發中心，北京 100076）

針對傳統基于控制系統的空間機械臂的運動軌跡設計及其抓捕動力學仿真等正向分析的控制方程建模和解算過程復雜、設計周期長的問題，基于CATIA模型運動軌跡規劃，提出了一種用于航天器抓捕目標的七自由度機械臂ADAMS仿真分析方法，通過該方法，能夠快速獲得空間飛行器在機械臂抓捕和釋放過程中的擾動姿態以及機械臂各個關節受力情況，為初期方案的設計和選型提供參考。

機械臂；動力學；分析方法

1 引言

七自由度機械臂屬于單臂機器人，相比于六自由度或者更低自由度機械臂，具有更多的姿態，以及更好的工作空間，具有良好的可達性。隨著機械臂自由度的增加，傳統基于控制系統的空間機械臂的運動軌跡設計及其抓捕動力學仿真等正向分析的控制方程建模和解算過程相當復雜，設計周期長，難以滿足時效性需求。而在工程設計方案階段，要求能夠高效、快速獲得機械臂空間抓捕。釋放物體時，機械臂對飛行器的干擾，正向分析方法無法滿足要求。針對此問題，基于CATIA模型運動軌跡規劃，本文提出了一種用于航天器抓捕目標的七自由度機械臂ADAMS仿真分析方法。

機械臂操作是非常復雜的動力學系統，由多個連桿和關節組成，具有多個輸入和輸出，以及非常復雜的耦合關系和嚴重的非線性。羅敏、劉世平等針對七自由度機器人的結構特點，以拉格朗日法為理論基礎建立機器臂的動力學方程，得到各關節的力矩方程，并對機械臂的動力學解算和分析，得到角度或力矩的變化曲線[1]。馮玉倩，高錦宏針對七自由度空間機械臂在軌捕獲目標任務的需求，提出了一種避障路徑規劃方法[2]。利用優化算法，在七自由度空間機械臂的自由工作空間內無碰撞路徑優化。

2 七自由度機械臂機構原理

本文研究的七自由度機械臂是由7個轉動關節組成的機械裝置，每一個轉動關節由旋轉電機驅動，結構簡圖如圖1所示。圖中機械臂桿件編號和電機編號從底座至末端執行器依次為1，2，…，7。該機械臂是一個高度非線性、強耦合、位姿時變的多變量系統。

通過D-H法分析，可獲得其七自由度機械臂連桿參數見表1。

圖1 七自由度機械臂簡圖

表1 七自由度機械臂連桿參數表

3 七自由度機械臂CATIA仿真模型軌跡規劃

機械臂在運動過程中，不僅需要末端執行器達到期望的位置和姿態，還需考慮避讓其它設備，合理規劃運動路徑，避免機械臂在運動時與其它設備產生干涉。

機械臂CATIA軌跡規劃分為以下幾個過程：a.建立空間七自由度機械臂CATIA機構運動模型；b.設置各轉動部件運動關系；c.設置并記錄機械臂各個轉角的角度；d.依據運動結果修正設置參數。其中第三步最重要，是后續機械臂動力學仿真驅動源。

4 建立七自由度機械臂ADAMS仿真模型

4.1 七自由度機械臂建模

根據D-H機械臂連桿參數表，建立參數化的ADAMS機械臂電機和桿件模型。對建立完畢的桿件模型添加約束、摩擦、接觸力和驅動等，并依據模型運動關節預置角度設置各個關節的運動轉角，最終建立了參數化七自由度機械臂ADAMS仿真模型（見圖2），圖中方塊為機械臂需要抓捕物體，最后對機械臂和抓捕物體按要求附質量屬性。

圖2 七自由度機械臂ADAMS仿真模型

由于參數化的機械臂模型與CATIA模型中建立的機械臂模型存在視覺差異，必要時可將CATIA三維模型中的機械臂導入到ADAMS中，此時導入的模型為無質量特性的虛殼，在動力學仿真過程中無作用。

4.2 完成ADAMS動力學仿真

建成的機械臂模型仍不能實現機械臂的抓捕、釋放動作，需要編制機械臂運動腳本，使機械臂按照腳本仿真。具體腳本：機械臂由放置零位狀態開始展開，當機械臂運動到指定目標時，機械臂完成抓捕動作，然后機械臂將物體抓起，帶物體完成一定角度范圍的伸展動作，直至最終停止。

在完成腳本仿真計算后，進入結果后處理過程。在后處理中，可以直接得到機械臂各運動電機的圍繞設定質心的力和力矩，同時可以效驗及調整CATIA模型中建立的預置角的角速度以及角加速度，最終得到機械臂抓捕全過程的干擾力和力矩。

機械臂末端機械手相對于坐標原點運動軌跡如圖3所示。飛行器連接處機械臂對飛行器的干擾力以及力矩見圖4、圖5。如圖4、圖5所示，機械臂在獨自伸展過程中，對飛行器的干擾最小，當機械臂抓捕物體完成動作時，飛行器受到的干擾與機械臂伸展長度以及伸展速度有關，即與機械臂各個電機的轉動角速度有關。

圖3 機械臂末端機械手相對于坐標原點運動軌跡

圖4 機械臂抓捕過程對飛行器的干擾力

圖5 機械臂抓捕過程對飛行器的干擾力矩

5 結束語

a.通過建立CATIA機構運動模型，合理規劃了七自由度機械臂抓捕合作目標物體運動軌跡，為ADAMS的動力學仿真提供了各個關節的驅動預置角度。

b. 利用CATIA模型建立的運動軌跡完成了基于ADAMS對七自由度機械臂動力學仿真，求出了各個電機的驅動力和力矩隨時間的變化曲線。

c. 該方法的建立，為控制空間機械臂的運動提供快速、有效的分析方法和手段，也為仿真研究七自由度空間機械臂的動態特性以及對飛行器的影響分析的研究提供重要參考依據。

1 羅敏，劉世平，李世其，等. 七自由度空間機械臂運動仿真技術研究[J].機械與電子，2013(5)：69～72

2 馮玉倩，高錦宏. 基于ADAMS的七自由度機器人動力學分析及仿真[J].北京石油化工學院學報，2013(2)：39～44

Dynamic Analysis Method for 7 DOF Space Manipulator

Zhou Xiaoli Chen Yongqiang Mu Xingke Tan Jue

(Research and Development Center, China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076)

As the traditional method to plan the trajectory of the space manipulator is based on the control system, it’s too complicate to build the control equations and solve them. In this paper, an ADAMS simulation method which based on the CATIA model trajectory planning is proposed. It can be used for the 7 DOF space manipulator to capture a target. By using this method, the disturbance and the force of each joint suffered can be obtained quickly during the capture and release process. It provides reference to the original design of the space manipulator.

manipulator；dynamics；analysis method

周曉麗（1977），高級工程師，機械設計制造專業；研究方向：航天器結構機構總體設計。

2018-06-28