基于ADAMS的一种混联机器人动力学仿真

2018-12-21梁峰

机械工程与自动化 2018年6期

梁峰

(广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006)

0 引言

机器人是一个复杂的机电系统，在设计过程中电机、减速器等零部件的选型是核心问题之一。目前对机器人的电机和减速器的选型有大量研究，文献[1]提出了基于负载曲线的电机选型方法。要获取机器人的各关节负载曲线，目前流行的方法是运用ADAMS软件对机器人进行动力学仿真。

ADAMS是一套成熟的动力学仿真分析软件，目前已被广泛用于各领域，其具有一系列的约束库、力库，可以对系统静力学及动力学方面进行分析，输出位移、速度、加速度、力、力矩等分析曲线。其不仅可用于测试机械系统的性能，也可应用于二次开发，作为虚拟样机开发工具[2]。本文利用ADAMS对混联机器人进行动力学仿真，得到各关节的力矩变化情况和峰值力矩。

1 混联机器人构成

本文的混联机器人由一台SCARA和一个3-RSR机构构成，3-RSR机构固定安装在SCARA末端，作为SCARA的末端执行器。SCARA有4个自由度，3-RSR机构有3个自由度，因而混联机器人具有7个自由度。在SolidWorks中建立混联机器人的三维模型(如图1所示)，为之后的仿真分析做准备。

图1 混联机器人3D模型

图2为SCARA的结构示意图，它主要由基座、第一关节、大臂、第二关节、小臂、末端旋转关节和末端上下移动关节组成。其中第一关节主要由电机1和减速器1组成，第二关节由电机2和减速器2组成；末端旋转关节主要由电机3、同步带1和丝杆组成；末端移动关节主要由电机4、同步带2和花键轴组成。

图2 SCARA结构示意图

图3为3-RSR机构结构示意图，它由等半径的移动平台和基座以及3个完全相同的运动支链组成，每条支链由一根主动杆和一根从动杆构成，主动杆和从动杆通过一个球副连接，主动杆通过一个转动副和基座相连，从动杆通过转动副和移动平台相连，3根主动杆通过3个舵机直接驱动。

2 仿真模型的建立

为了得到混联机器人各关节在运动过程中的力矩变化情况和峰值力矩，本文利用ADAMS软件对机器人进行动力学仿真。在仿真之前，首先要在ADAMS中建立仿真模型，具体建模过程如下。

2.1 导入三维模型

仿真的前提是建立机器人的物理模型，模型的准确性直接影响仿真的结果[3]。ADAMS支持三种方法建立实体模型：①用ADAMS建模工具直接建模；②通过ADAMS/Exchange模块从外部输入模型文件；③通过专业图形接口模型建立模型，如Mechanical/Pro模块。由于本课题的混联机器人三维模型较为复杂，很难在ADAMS中直接建立模型，本文采用第二种方法，即采用SolidWorks软件建立混联机器人的三维模型，再将建立好的三维模型导入到ADAMS中，具体操作流程如下：

(1) 在SolidWorks软件中建立混联机器人精确的三维模型。

(2) 对三维模型做简化处理，使得ADAMS软件的操作变得更加简单。简化处理主要包括两个方面：①将相邻两个材料相同且没有相对运动的零件进行连接操作变成一个零件；②将一些对机器人质量分布影响无关紧要的零件剔除，比如垫片、小螺丝等。

(3) 在SolidWorks中将模型的格式保存为parasolid格式,通过ADAMS/View功能模块中的Import选项将模型导入ADAMS中。

图3 3-RSR机构结构示意图

2.2 配置仿真环境

在ADAMS中导入混联机器人的三维模型，还需要对模型和仿真环境做进一步的配置和修改，具体的操作如下：

(1) 设置重力：仿真是在重力场下进行的，所以需要设置重力。在此应把重力的方向设置成正确的方向，否则会导致仿真错误。

(2) 修改零件的质量属性：ADAMS/View自动计算构件的体积，并根据体积和材料的密度自动计算出构件的质量、转动惯量和惯性矩。ADAMS/View提供了3种修改构件质量和惯性矩的方法：①输入材料名称，ADAMS/View自动到材料库中查找该材料的密度，然后根据材料的密度和几何形状计算质量和惯性矩；②输入材料的密度，ADAMS/View根据材料的密度和几何形状计算质量和惯性矩；③直接输入构件的质量和惯性矩，同时还需要输入构件的质心标记点和惯性参考标记点。本文混联机器人的零件材料主要是铝和钢，在软件自带的材料库中有这些材料，故采用第一种方法指定零件的质量属性。

(3) 简化仿真三维模型：将那些相互之间没有相对运动的构件用固定副连接起来，从而进一步简化仿真三维模型。需要注意的是，该步骤不能和步骤(2)颠倒，否则会导致构件的质量属性计算错误，仿真不准确。

(4) 设置运动关系：ADAMS/View为用户提供了12个常用的理想约束工具，即旋转副、移动副、圆柱副、球副、平面副、等速度副、虎克铰、万向副、螺旋副、齿轮副、耦合副和固定副。本文涉及的有圆柱副、旋转副、螺旋副、球副、移动副和固定副。

(5) 添加末端负载：混联机器人设计的初衷是分拣、装配质量轻、体积小的电子元器件。考虑到实际的应用场景，末端负载不会超过100 g，故在机器人末端添加100 g的负载。

最终建立的混联机器人仿真模型如图4所示。

图4 混联机器人仿真模型

3 动力学仿真及结果分析

在建立仿真模型的基础上，首先给定机器人各关节的运动。在ADAMS中用于设定部件运动的函数主要有两个：if函数和STEP函数[4]。其中，STEP函数包括STEP和STEP5两种函数，两者没有本质上的区别，主要的区别在于在连接始末两点时，STEP函数采用三次函数，而STEP5采用五次函数。本文采用STEP5函数给各关节指定运动。

由于机器人在工作空间中的运动轨迹有无数条，仿真过程中不可能包括机器人工作空间的所有运动轨迹，只能够选取具有代表性的运动轨迹，每个关节的运动必须包含需要最大力矩的情况。

在仿真之前还要检测模型定义是否正确，在ADAMS中可以利用Model Verify命令进行检测，结果信息如图5所示。

图5 ADAMS模型检测结果

检测结果显示：本课题的混联机器人包括25个运动部件，1个圆柱副约束，11个旋转副约束，1个螺旋副约束，3个球副约束，1个移动副约束和12个固定副约束。7个运动关节约束了7个自由度后，机器人的自由度为0，检测表明模型定义是正确的。

设置仿真时间为2 s，仿真步长为0.005 s。在仿真过程中测量各关节的力矩变化情况，得到的结果如图6～图12所示。

由图6～图12可知：第1关节的关节空间最大力矩为43.447 5 Nm，第2关节的关节空间最大力矩为18.489 4 Nm，第3关节的关节空间最大力矩为2.582 6 Nm，第4关节的关节空间最大力矩为1.594 8 Nm，第5关节的最大力矩为1.9 Nm，第6关节的最大力矩为1.532 9 Nm，第7关节的最大力矩为1.465 Nm。