基于ADAMS的工業(yè)機(jī)器人建模與動(dòng)力學(xué)仿真

劉佩森 靳杏子 鄭翔鵬 朱迪

摘要：為了提升工業(yè)機(jī)器人工作效率和運(yùn)動(dòng)性能，以6自由度工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，選用拉格朗日力學(xué)分析法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。使用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并通過接口導(dǎo)入ADMAS仿真軟件中，運(yùn)用動(dòng)力學(xué)方程，并添加驅(qū)動(dòng)，最終獲得重要組件的特性曲線圖，完成動(dòng)力學(xué)仿真過程。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;動(dòng)力學(xué)仿真;虛擬樣機(jī)建模;拉格朗日力學(xué)分析法

中圖分類號(hào)：TH1132文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2018）04-0010-04

根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的定義，工業(yè)機(jī)器人是指面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)和多自由度的擬人操作臂，是具有編程能力并在自動(dòng)控制下實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能的機(jī)械裝置[1]。其典型應(yīng)用包括抓取、焊接、搬運(yùn)、配送、涂膠、噴涂、打磨、裝配、檢測(cè)和感知等[2]。工業(yè)機(jī)器人是國家的高科技水平、制造業(yè)先進(jìn)能力和綜合國力的標(biāo)志之一[3]。工業(yè)機(jī)器人操作臂的主要類型包括笛卡爾型、關(guān)節(jié)型、SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，平面關(guān)節(jié)型）、球面坐標(biāo)型、圓柱面坐標(biāo)型和并聯(lián)結(jié)構(gòu)型等。其中關(guān)節(jié)型操作臂的所有關(guān)節(jié)全部可以旋轉(zhuǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，空間施展范圍大等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。但是關(guān)節(jié)型操作臂是復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其多個(gè)輸入與輸出之間的耦合關(guān)系存在復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)求解問題[4]。

工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟，而技術(shù)難點(diǎn)集中在動(dòng)力學(xué)研究。動(dòng)力學(xué)研究是為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，修正運(yùn)動(dòng)控制過程，提高實(shí)時(shí)控制能力，進(jìn)而達(dá)到運(yùn)動(dòng)學(xué)的最優(yōu)化控制，改善系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能[5]。動(dòng)力學(xué)分析方法主要有拉格朗日法[6]、凱恩法、牛頓歐拉法[7]、高斯方法、旋量法等。動(dòng)力學(xué)研究主要借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，常用的動(dòng)力學(xué)仿真軟件包括ADAMS、DADS、RecurDyn和Simpack等。其中，ADAMS軟件以其友好的界面和強(qiáng)大的功能，成為使用廣泛的多體系統(tǒng)仿真分析軟件[8]?；谏鲜鲅芯勘尘昂突A(chǔ)，本文選取6自由度關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，建立三維結(jié)構(gòu)模型并導(dǎo)入ADMAS軟件中進(jìn)行仿真，進(jìn)而提升工作效率和運(yùn)動(dòng)性能。

1三維結(jié)構(gòu)建模

雖然關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)廠商不同，外形迥異，但其基本結(jié)構(gòu)相似。關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)擬人手臂的空間開鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)，其一端固定在基座上，另一端可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。參照人體的結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人通常由基座、腰部、大臂、肘部、小臂和手腕等6部分組成。本文選取我校實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的ABB公司生產(chǎn)的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人IRB6640為研究對(duì)象。該工業(yè)機(jī)器人具有6個(gè)自由度，即3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和3個(gè)移動(dòng)自由度，其結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。

IRB6640工業(yè)機(jī)器人擁有6個(gè)關(guān)節(jié)，并且均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，第1、4、6關(guān)節(jié)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，第2、3、5關(guān)節(jié)做俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人后三關(guān)節(jié)軸線相交與一點(diǎn)，是腕關(guān)節(jié)的原點(diǎn)，前三個(gè)關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置，后三個(gè)關(guān)節(jié)確定末端的執(zhí)行器的姿態(tài)。第6關(guān)節(jié)預(yù)留適配接口，可以安裝不同的工具（如機(jī)械手、吸盤）等。

工業(yè)機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)建模的關(guān)鍵在于形狀和尺寸的確定，本文依據(jù)ABB工業(yè)機(jī)器人官方資料，結(jié)合對(duì)IRB6640工業(yè)機(jī)器人測(cè)繪來獲取形狀和尺寸參數(shù)。三維建模選用SolidWorks軟件，其建模步驟包括各零件草圖繪制、各零件特征實(shí)體建模以及根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行各零件裝配。IRB6640工業(yè)機(jī)器人在腰部和肘部各有一個(gè)減速器，但兩個(gè)減速器 作用不同，腰部的減速器是為了增加剛性和扭矩的要求，而肘部的減速器是為了滿足快速響應(yīng)性和提高精度的要求。利用SolidWorks軟件建立的工業(yè)機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)模型圖，如圖2所示。

2ADAMS仿真分析

21三維模型導(dǎo)入

ADAMS軟件是虛擬樣機(jī)開發(fā)系統(tǒng)軟件，以多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算與求解為理論基礎(chǔ)。利用ADAMS軟件可以建立復(fù)雜機(jī)械剛性體、柔性體以及剛?cè)峄旌象w的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。ADAMS軟件集建模、計(jì)算和后處理于一身，包含多個(gè)基本模塊和專業(yè)模塊。其基本模塊是View模塊和PostProcessor模塊，大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)都可以使用這兩個(gè)模塊來完成動(dòng)力學(xué)仿真。但是利用ADAMS軟件自身來建立三維結(jié)構(gòu)模型效率較低，難以對(duì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模[9]，因此使用SolidWorks進(jìn)行三維建模，并導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，具體導(dǎo)入方法為：

1）為了保證三維模型導(dǎo)入ADAMS軟件后出現(xiàn)在理想的位置，在SolidWorks軟件建模時(shí)，需要將原點(diǎn)與基面的中心點(diǎn)重合。

2）將SolidWorks中建立的三維模型保存為Parasolid格式，并在ADAMS軟件中導(dǎo)入該文件。

3）需要注意的是，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型的導(dǎo)入，為了便于以后對(duì)各組件之間添加驅(qū)動(dòng)，建議復(fù)制多個(gè)“x_t”輸出文件。

4）導(dǎo)入ADAMS軟件中三維模型，其彼此之間的裝配關(guān)系已經(jīng)丟失，需要重新添加屬性。各個(gè)零部件的參數(shù)（材料和質(zhì)量）在導(dǎo)入過程中不會(huì)改變，如果沒有在SolidWorks軟件中定義零部件參數(shù)的，需要在ADAMS軟件中編輯。

通過以上步驟，從SolidWorks軟件導(dǎo)入工業(yè)機(jī)器人的三維模型圖，導(dǎo)入ADAMS軟件圖，如圖3所示。

22動(dòng)力學(xué)方程

動(dòng)力學(xué)方程是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)仿真的理論依據(jù)，也是ADAMS軟件添加驅(qū)動(dòng)與運(yùn)動(dòng)仿真的關(guān)鍵，直接影響仿真分析的結(jié)果。在多種動(dòng)力學(xué)方程中，拉格朗日力學(xué)分析法是經(jīng)典的分析方法之一，是以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和能量守恒定律為支撐，主要針對(duì)做功的關(guān)節(jié)和有相互作用的載荷，是研究機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的重要途徑。

工業(yè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)性能與其質(zhì)量分布、結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)方式、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類等多個(gè)因素有關(guān)。機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能由動(dòng)力學(xué)方程描述，主要解決正問題和逆問題兩類問題。動(dòng)力學(xué)正問題是根據(jù)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩或力，推算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀況。動(dòng)力學(xué)逆問題是已知運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度，求出所需要的關(guān)節(jié)力矩和力。本文主要解決6自由度工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)正問題。

23添加驅(qū)動(dòng)

完成三維模型的導(dǎo)入和確定動(dòng)力學(xué)方程后，需要對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)之間設(shè)置運(yùn)動(dòng)關(guān)系，通過添加驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。在ADAMS/View環(huán)境中，模型之間的相互運(yùn)動(dòng)是靠運(yùn)動(dòng)副來實(shí)現(xiàn)的。ADAMS中提供了旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、球型副、固定副、萬向副、螺旋副、平面副、恒速副、關(guān)聯(lián)副、齒輪副和圓柱副等常用的運(yùn)動(dòng)副約束。

要使導(dǎo)入的工業(yè)機(jī)器人模型能夠正常的運(yùn)動(dòng)起來，需要在其各個(gè)組件上添加運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)動(dòng)。其中基座與腰回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，腰回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與大臂，大臂與腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，腕回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與小臂之間使用旋轉(zhuǎn)副連接，小臂與機(jī)械手之間用移動(dòng)副連接，其余都用固定副連接。建立運(yùn)動(dòng)副后，對(duì)相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng)，包括驅(qū)動(dòng)力、力矩等。添加運(yùn)動(dòng)副與驅(qū)動(dòng)后的模型圖，如圖4所示。

24ADAMS仿真后處理

在仿真計(jì)算后，就可以得到運(yùn)動(dòng)副上的位移、速度、加速度、作用力和力矩等數(shù)據(jù)，并生成各種數(shù)據(jù)曲線。要使用ADAMS進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真，就要找到運(yùn)動(dòng)和力學(xué)問題，其中重要的途徑就是分析數(shù)據(jù)曲線。通過數(shù)據(jù)曲線來分析虛擬樣機(jī)的性能，就需要使用后處理模塊。通常使用ADAMS/ Postprocessor后處理模塊，主要完成繪制曲線、播放動(dòng)畫、制作報(bào)告等工作。由于工業(yè)機(jī)器人的組件較多，本文主要對(duì)重要組件腰部、大臂、肘部和小臂在運(yùn)動(dòng)仿真過程中采用不同的參數(shù)進(jìn)行分析。

對(duì)腰部采用加速度參數(shù)進(jìn)行分析，其在X軸方向的加速度曲線，如圖5所示，與Y軸方向的加速度曲線，如圖6所示。

對(duì)大臂采用速度參數(shù)進(jìn)行分析，其在X軸方向的速度曲線，如圖7所示，與Y軸方向的速度曲線，如圖8所示。

對(duì)肘部采用位移參數(shù)進(jìn)行分析，其在后處理中X軸方向的位移曲線，如圖9所示，與Y軸方向的位移曲線，如圖10所示。

對(duì)小臂采用力矩參數(shù)進(jìn)行分析，其在有重力情況下的力矩曲線，如圖11所示，無重力情況下的力矩曲線，如圖12所示。

從重要組件的不同的參數(shù)曲線可以看出，腰部加速度曲線、大臂速度曲線和肘部位移曲線均為連續(xù)平滑過渡，未出現(xiàn)“尖點(diǎn)”，未超出允許的最大值，這說明該工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，運(yùn)動(dòng)學(xué)性能良好，運(yùn)動(dòng)過程中過渡平緩，沖擊較少。從小臂的力矩曲線可以看出，重力對(duì)力矩曲線影響較為明顯，并且小臂關(guān)節(jié)軸的力矩隨時(shí)間變化情況十分復(fù)雜，雖然小臂的力矩值變化劇烈，但是力矩值

并不大，未見明顯的規(guī)律，這主要是因?yàn)樾”厶幱诠I(yè)機(jī)器人末端，受較多因素影響和疊加。力矩曲線可為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中的電動(dòng)機(jī)選型提供參考依據(jù)，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)性能和可靠性有著重要意義。

3結(jié)語

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用日益廣泛，已成為各國研究和發(fā)展的重點(diǎn)，其中機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的研究即是重點(diǎn)也是難點(diǎn)。本文選取ABB公司生產(chǎn)的6自由度IRB6640工業(yè)機(jī)器人為研究對(duì)象，獲取其形狀和尺寸參數(shù)，利用Solidworks軟件建立工業(yè)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)模型，并重點(diǎn)介紹了利用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的過程，包括三維模型導(dǎo)入、動(dòng)力學(xué)方程、添加驅(qū)動(dòng)和ADAMS仿真后處理。通過ADAMS軟件仿真，建立了虛擬樣機(jī)，可以對(duì)工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)而優(yōu)化控制，以改善工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。

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