5R關(guān)節(jié)型機(jī)械手動力性能分析及其仿真的研究

陶 柯，劉 興，劉義杰，李建維

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110000）

5R關(guān)節(jié)型機(jī)械手動力性能分析及其仿真的研究

陶 柯1，劉 興1，劉義杰1，李建維2

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110870；2.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 110000）

基于機(jī)械手和數(shù)控機(jī)床的布局要求，對5R機(jī)械手動力性能進(jìn)行探究，并通過ADAMS建立模型并進(jìn)行仿真，在不同條件下得出各個關(guān)節(jié)的力矩變化曲線，然后對比分析數(shù)據(jù)，在本體設(shè)計中加以改進(jìn)優(yōu)化。

關(guān)節(jié)型機(jī)械手；動力學(xué)分析；ADAMS；仿真

0 前言

關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有高度的靈活性和能動性，其作為自動化生產(chǎn)中的上下料工具，既提高了效率，又能保證加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量[1]。本文就是根據(jù)數(shù)控機(jī)床、加工工件和機(jī)械手的布局，對5R機(jī)械手動力性能進(jìn)行探究，運用D-H法對機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行運動學(xué)分析，采用拉格朗日方法進(jìn)行動力學(xué)計算，然后通過ADAMS進(jìn)行動力學(xué)仿真。

圖1 5R機(jī)械手關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

1 5R機(jī)械手機(jī)構(gòu)運動學(xué)描述

1.1 建立系統(tǒng)坐標(biāo)系

在機(jī)械手系統(tǒng)各運動關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系，該機(jī)械手有6個活動構(gòu)件組成，具有5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在各個關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系，如圖1。

表1 5R機(jī)械手參數(shù)

1.2 各個連桿及關(guān)節(jié)參數(shù)的確定

根據(jù)數(shù)控機(jī)床、加工工件和機(jī)械手的布局及上下料流程（如圖2），初步確定各連桿及關(guān)節(jié)的參數(shù)，如表1[2]所示。

圖2 5R機(jī)械手上下料路徑圖

1.3 坐標(biāo)系矩陣的變換

由表1及圖1可以得到連桿坐標(biāo)系{i}相對于坐標(biāo)系{i-1}的變換矩陣

則各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系{i}相對于基坐標(biāo)系{0}的描述，有

2 系統(tǒng)的動力學(xué)分析

拉格朗日函數(shù)，表示系統(tǒng)總的動能Q與總的勢能U之差，即：

式（1）中，q=[q1,q2,q3,…,qn]表示動能和勢能的廣義坐標(biāo)，表示相應(yīng)的廣義速度。

根據(jù)拉格朗日函數(shù)L，可得系統(tǒng)動力學(xué)方程為：

式中F是n×1的關(guān)節(jié)驅(qū)動力或力矩矢量。

2.1 系統(tǒng)動能分析計算

（1）各個連桿質(zhì)心的坐標(biāo)（相對自身坐標(biāo)系）矩陣（量綱為mm）

（2）各個連桿的質(zhì)量矩陣（量綱為kg）

（3）各個連桿的慣性張量（量綱為kg·mm2）

（4）各個連桿的偽慣性矩陣通式（量綱為kg· mm2）

（5）連桿系統(tǒng)的慣量矩陣

通過以上參數(shù)，則機(jī)械手系統(tǒng)第i連桿的動能為：

故，5連桿機(jī)械手連桿系統(tǒng)總動能為：

此外機(jī)械手系統(tǒng)傳動裝置總動能：

其中，Ici——為傳動裝置的等效轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2。則：

2.2 系統(tǒng)的勢能分析計算

（1）連桿系統(tǒng)的哥氏力和向心力的計算

（2）重力項的計算

其中重力矢量：

則該機(jī)械手連桿系統(tǒng)的重力項矩陣可表示為：

（3）各連桿質(zhì)心的位置矢量（相對基座標(biāo)）的求解：

則不計傳動裝置的勢能，5R機(jī)械手系統(tǒng)的總勢能為：

2.3 系統(tǒng)的拉格朗日動力學(xué)方程

將以上各參數(shù)代入到拉格朗日動力學(xué)方程，可以得到：

即可得到各個連桿的驅(qū)動力或力矩，由于此處計算較繁瑣，可借助計算機(jī)求解。

3 5R機(jī)械手系統(tǒng)的動力學(xué)仿真

三維實體的建模對其動力學(xué)仿真有重要影響。本文先通過Pro-E建模，然后導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，對模型添加約束。在仿真時，可以得出各關(guān)節(jié)在運動過程中的變量變化曲線。

3.1 不同條件下關(guān)節(jié)力矩的探究

已知待加工工件重60 N，加工后為50 N。擬定機(jī)械手A、B兩種運動軌跡。

總節(jié)拍為24 s時，機(jī)械手在上下料過程中A、B軌跡下各關(guān)節(jié)力矩的變化曲線（如圖3、圖4）。

圖3 24 s-A力矩變化曲線

圖4 24 s-B力矩變化曲線

改變節(jié)拍，在總時間為16 s時各關(guān)節(jié)在A、B軌跡下的力矩曲線（如圖5、圖6）。

圖5 16 s-A力矩變化曲線

3.2 數(shù)據(jù)結(jié)果的比較

在相同節(jié)拍時，B軌跡相對于A軌跡各關(guān)節(jié)力矩峰值的增幅，如表2。

在A、B同種軌跡下，16 s相對于24 s各關(guān)節(jié)力矩峰值的增幅，如表3。

圖6 16 s-B力矩變化曲線

表2 同種軌跡下不同節(jié)拍的力矩增幅

表3 相同節(jié)拍下不同軌跡的關(guān)節(jié)力矩增幅

4 結(jié)論

通過以上曲線和數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

（1）在總節(jié)拍時間相同的情況下，機(jī)械手末端運動路徑對關(guān)節(jié)的力矩峰值影響很小，可以忽略不計；

（2）在同種軌跡下，縮短運行時間，各關(guān)節(jié)的力矩變化的平穩(wěn)性變差；

（3）關(guān)節(jié)1力矩主要受運行時間的影響，當(dāng)明顯改變關(guān)節(jié)運行時間時，其力矩變化很顯著；

（4）關(guān)節(jié)3、4的力矩主要受重力影響，角加速度變化對其影響不大。

［1］白麗平.基于ADAMS的機(jī)器人動力學(xué)仿真分析［J］.機(jī)電工程，2007，24（7）：74-77.

［2］Ke Tao，Yuanyuan Zhang.The Mechanism Analysis and Trajectory of 5R Joint Manipulator［J］.Applied Me?chanics and Materials，2012，220（10）：1744-1747.

［3］李金恒，肖慧，胡志華.基于ADAMS的機(jī)械手臂運動仿真分析 ［J］.機(jī)床與液壓，2009，37（8）：206-209.

［4］車仁煒，呂光明，陸念力.五自由度康復(fù)機(jī)械手的動力學(xué)分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2005，37（6）：744-747.

［5］熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2004.

Dynamic Analysis and Simulation of 5R Multi-Joint Robot

TAO Ke1，LIU Xing1，LIU Yi-jie1，LI Jian-wei2
（1.Shenyang University of Technology，Shenyang110870，China；2.North Heavy Industries，Shenyang110000，China）

Based on the layout requirements of the Robots and CNC machine tools，5R multi-joint robot structure parameter are designed and dynamic simulation model are built by ADAMS.By dynamics simulation analysis，torque changing curves are obtained.Then after analyzing the curves，the real design of the body can be improved.

multi-joint robot；dynamic analysis；ADAMS；simulation

TP241

：A

：1009－9492(2014)11－0024－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.007

陶 柯，男，1958年生，遼寧沈陽人，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)電系統(tǒng)的控制與優(yōu)化。

(編輯：阮 毅)

2014－05－30