基于ADAMS的一種混聯(lián)機器人動力學仿真

梁 峰

(廣東工業(yè)大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引言

機器人是一個復雜的機電系統(tǒng)，在設計過程中電機、減速器等零部件的選型是核心問題之一。目前對機器人的電機和減速器的選型有大量研究，文獻[1]提出了基于負載曲線的電機選型方法。要獲取機器人的各關節(jié)負載曲線，目前流行的方法是運用ADAMS軟件對機器人進行動力學仿真。

ADAMS是一套成熟的動力學仿真分析軟件，目前已被廣泛用于各領域，其具有一系列的約束庫、力庫，可以對系統(tǒng)靜力學及動力學方面進行分析，輸出位移、速度、加速度、力、力矩等分析曲線。其不僅可用于測試機械系統(tǒng)的性能，也可應用于二次開發(fā)，作為虛擬樣機開發(fā)工具[2]。本文利用ADAMS對混聯(lián)機器人進行動力學仿真，得到各關節(jié)的力矩變化情況和峰值力矩。

1 混聯(lián)機器人構成

本文的混聯(lián)機器人由一臺SCARA和一個3-RSR機構構成，3-RSR機構固定安裝在SCARA末端，作為SCARA的末端執(zhí)行器。SCARA有4個自由度，3-RSR機構有3個自由度，因而混聯(lián)機器人具有7個自由度。在SolidWorks中建立混聯(lián)機器人的三維模型(如圖1所示)，為之后的仿真分析做準備。

圖1 混聯(lián)機器人3D模型

圖2為SCARA的結構示意圖，它主要由基座、第一關節(jié)、大臂、第二關節(jié)、小臂、末端旋轉(zhuǎn)關節(jié)和末端上下移動關節(jié)組成。其中第一關節(jié)主要由電機1和減速器1組成，第二關節(jié)由電機2和減速器2組成；末端旋轉(zhuǎn)關節(jié)主要由電機3、同步帶1和絲桿組成；末端移動關節(jié)主要由電機4、同步帶2和花鍵軸組成。

圖2 SCARA結構示意圖

圖3為3-RSR機構結構示意圖，它由等半徑的移動平臺和基座以及3個完全相同的運動支鏈組成，每條支鏈由一根主動桿和一根從動桿構成，主動桿和從動桿通過一個球副連接，主動桿通過一個轉(zhuǎn)動副和基座相連，從動桿通過轉(zhuǎn)動副和移動平臺相連，3根主動桿通過3個舵機直接驅(qū)動。

2 仿真模型的建立

為了得到混聯(lián)機器人各關節(jié)在運動過程中的力矩變化情況和峰值力矩，本文利用ADAMS軟件對機器人進行動力學仿真。在仿真之前，首先要在ADAMS中建立仿真模型，具體建模過程如下。

2.1 導入三維模型

仿真的前提是建立機器人的物理模型，模型的準確性直接影響仿真的結果[3]。ADAMS支持三種方法建立實體模型：①用ADAMS建模工具直接建模；②通過ADAMS/Exchange模塊從外部輸入模型文件；③通過專業(yè)圖形接口模型建立模型，如Mechanical/Pro模塊。由于本課題的混聯(lián)機器人三維模型較為復雜，很難在ADAMS中直接建立模型，本文采用第二種方法，即采用SolidWorks軟件建立混聯(lián)機器人的三維模型，再將建立好的三維模型導入到ADAMS中，具體操作流程如下：

(1) 在SolidWorks軟件中建立混聯(lián)機器人精確的三維模型。

(2) 對三維模型做簡化處理，使得ADAMS軟件的操作變得更加簡單。簡化處理主要包括兩個方面：①將相鄰兩個材料相同且沒有相對運動的零件進行連接操作變成一個零件；②將一些對機器人質(zhì)量分布影響無關緊要的零件剔除，比如墊片、小螺絲等。

(3) 在SolidWorks中將模型的格式保存為parasolid格式,通過ADAMS/View功能模塊中的Import選項將模型導入ADAMS中。

圖3 3-RSR機構結構示意圖

2.2 配置仿真環(huán)境

在ADAMS中導入混聯(lián)機器人的三維模型，還需要對模型和仿真環(huán)境做進一步的配置和修改，具體的操作如下：

(1) 設置重力：仿真是在重力場下進行的，所以需要設置重力。在此應把重力的方向設置成正確的方向，否則會導致仿真錯誤。

(2) 修改零件的質(zhì)量屬性：ADAMS/View自動計算構件的體積，并根據(jù)體積和材料的密度自動計算出構件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量和慣性矩。ADAMS/View提供了3種修改構件質(zhì)量和慣性矩的方法：①輸入材料名稱，ADAMS/View自動到材料庫中查找該材料的密度，然后根據(jù)材料的密度和幾何形狀計算質(zhì)量和慣性矩；②輸入材料的密度，ADAMS/View根據(jù)材料的密度和幾何形狀計算質(zhì)量和慣性矩；③直接輸入構件的質(zhì)量和慣性矩，同時還需要輸入構件的質(zhì)心標記點和慣性參考標記點。本文混聯(lián)機器人的零件材料主要是鋁和鋼，在軟件自帶的材料庫中有這些材料，故采用第一種方法指定零件的質(zhì)量屬性。

(3) 簡化仿真三維模型：將那些相互之間沒有相對運動的構件用固定副連接起來，從而進一步簡化仿真三維模型。需要注意的是，該步驟不能和步驟(2)顛倒，否則會導致構件的質(zhì)量屬性計算錯誤，仿真不準確。

(4) 設置運動關系：ADAMS/View為用戶提供了12個常用的理想約束工具，即旋轉(zhuǎn)副、移動副、圓柱副、球副、平面副、等速度副、虎克鉸、萬向副、螺旋副、齒輪副、耦合副和固定副。本文涉及的有圓柱副、旋轉(zhuǎn)副、螺旋副、球副、移動副和固定副。

(5) 添加末端負載：混聯(lián)機器人設計的初衷是分揀、裝配質(zhì)量輕、體積小的電子元器件。考慮到實際的應用場景，末端負載不會超過100 g，故在機器人末端添加100 g的負載。

最終建立的混聯(lián)機器人仿真模型如圖4所示。

圖4 混聯(lián)機器人仿真模型

3 動力學仿真及結果分析

在建立仿真模型的基礎上，首先給定機器人各關節(jié)的運動。在ADAMS中用于設定部件運動的函數(shù)主要有兩個：if函數(shù)和STEP函數(shù)[4]。其中，STEP函數(shù)包括STEP和STEP5兩種函數(shù)，兩者沒有本質(zhì)上的區(qū)別，主要的區(qū)別在于在連接始末兩點時，STEP函數(shù)采用三次函數(shù)，而STEP5采用五次函數(shù)。本文采用STEP5函數(shù)給各關節(jié)指定運動。

由于機器人在工作空間中的運動軌跡有無數(shù)條，仿真過程中不可能包括機器人工作空間的所有運動軌跡，只能夠選取具有代表性的運動軌跡，每個關節(jié)的運動必須包含需要最大力矩的情況。

在仿真之前還要檢測模型定義是否正確，在ADAMS中可以利用Model Verify命令進行檢測，結果信息如圖5所示。

圖5 ADAMS模型檢測結果

檢測結果顯示：本課題的混聯(lián)機器人包括25個運動部件，1個圓柱副約束，11個旋轉(zhuǎn)副約束，1個螺旋副約束，3個球副約束，1個移動副約束和12個固定副約束。7個運動關節(jié)約束了7個自由度后，機器人的自由度為0，檢測表明模型定義是正確的。

設置仿真時間為2 s，仿真步長為0.005 s。在仿真過程中測量各關節(jié)的力矩變化情況，得到的結果如圖6～圖12所示。

由圖6～圖12可知：第1關節(jié)的關節(jié)空間最大力矩為43.447 5 Nm，第2關節(jié)的關節(jié)空間最大力矩為18.489 4 Nm，第3關節(jié)的關節(jié)空間最大力矩為2.582 6 Nm，第4關節(jié)的關節(jié)空間最大力矩為1.594 8 Nm，第5關節(jié)的最大力矩為1.9 Nm，第6關節(jié)的最大力矩為1.532 9 Nm，第7關節(jié)的最大力矩為1.465 Nm。

圖6第1關節(jié)力矩變化曲線圖7第2關節(jié)力矩變化曲線圖8第3關節(jié)力矩變化曲線

圖9第4關節(jié)力矩變化曲線圖10第5關節(jié)力矩變化曲線圖11第6關節(jié)力矩變化曲線

圖12 第7關節(jié)力矩變化曲線

4 結語

通過動力學仿真，得到了混聯(lián)機器人在運動過程中各關節(jié)的峰值力矩，可為電機、減速器和舵機的選型提供依據(jù)。