李卓然

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定　527200)

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基于UG和ADAMS的采摘機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真分析

李卓然

(羅定職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系，廣東 羅定527200)

摘要：為了提高采摘機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)的速度，縮短開(kāi)發(fā)周期和時(shí)間，并提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，采用UG和ADAMS軟件聯(lián)合仿真的方法，對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。首先利用UG軟件對(duì)六自由度的采摘機(jī)械手進(jìn)行了三維實(shí)體建模，然后采用UG和ADAMS的兼容性接口將模型導(dǎo)入到了ADAMS軟件中，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需求添加了約束，最后對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)仿真計(jì)算，得到了機(jī)械手各關(guān)節(jié)的位移-時(shí)間曲線和力學(xué)分析曲線，通過(guò)觀察結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡和受力情況，可以對(duì)初始設(shè)計(jì)階段的機(jī)械手進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了設(shè)計(jì)的效率。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械手；聯(lián)合仿真；運(yùn)動(dòng)分析；ADAMS；UG

0引言

在現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)械產(chǎn)品不再局限于簡(jiǎn)單的靜態(tài)平面設(shè)計(jì)，而三位實(shí)體的設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析越來(lái)越受到設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人員的重視。虛擬樣機(jī)是設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，在概念設(shè)計(jì)階段，為了降低設(shè)計(jì)成本、減少開(kāi)發(fā)時(shí)間，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的虛擬性測(cè)試。對(duì)于采摘機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其關(guān)鍵部分設(shè)計(jì)是采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行虛擬仿真，可以得到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析機(jī)械手的性能，提高了采摘機(jī)器人開(kāi)發(fā)的效率和可靠性。由于機(jī)械手是一種耦合性強(qiáng)的非線性時(shí)變系統(tǒng)，在單一軟件中難以進(jìn)行仿真模擬。為此，在對(duì)機(jī)械手進(jìn)行分析時(shí)，首先建立了機(jī)械手的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人復(fù)雜機(jī)械手的仿真。

1機(jī)器人UG建模和ADAMS模型導(dǎo)入

采摘機(jī)器人的主要部件是機(jī)械手，機(jī)械手不同的零部件之間存在不同的約束，在設(shè)計(jì)之前，需要根據(jù)零部件的位置和尺寸確定主要的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)約束和設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。根據(jù)模型的圖紙，在UG軟件中建立模型的草圖，然后對(duì)草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃描等一系列操作建立采摘機(jī)器人機(jī)械手的各個(gè)零部件，最后對(duì)零部件進(jìn)行裝配。建立完成的UG模型如圖1所示。

圖1　采摘機(jī)器人機(jī)械手UG轉(zhuǎn)配模型

該模型共由7部分組成，將轉(zhuǎn)配好的模型可以導(dǎo)入到ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。ADAMS是專(zhuān)業(yè)的虛擬仿真軟件，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)都有強(qiáng)大的分析功能，但在ADAMS中只能建立比較簡(jiǎn)單的模型；要想實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，需將UG模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中。本文使用ADAMS提供的UG數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將模型導(dǎo)入到ADAMS/View模塊中，導(dǎo)入后的效果如圖2所示。

圖2表示導(dǎo)入ADAMS軟件中的機(jī)器人仿真模型，其主要過(guò)程：首先，將機(jī)器人模型在UG軟件中進(jìn)行保存，保存格式為.txt文件格式；然后，啟動(dòng)ADAMS軟件新建一個(gè)模型；進(jìn)入工作窗口，在File功能中選擇Import將建立好的模型導(dǎo)入即可；導(dǎo)入模型后便可以在ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)的設(shè)置。

圖2　導(dǎo)入ADAMS的UG機(jī)器人仿真模型

2ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真模型和參數(shù)設(shè)置

在ADAMS/ View操作環(huán)境下，如果要讓機(jī)器人按照某一規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，則只需要在機(jī)器人上施加一點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)，然后利用ADAMS提供的對(duì)象測(cè)量功能，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行分析。本次研究讓平臺(tái)從點(diǎn) (0,6,8)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方式為空間圓錐曲線運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

其中，z0表示機(jī)器人的初始高度，取值為260mm；S取值為6mm；T取值為2mm。給機(jī)器人添加一個(gè)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的軌跡方程為

TraX=3·time·cos(3.14×time)

TraY=3·time·sin(3.14×time)

TraZ=3·time

將仿真時(shí)間設(shè)置為t=20s，步長(zhǎng)為600步，利用ADAMS/View模塊提供的對(duì)象測(cè)量功能對(duì)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)的位移進(jìn)行測(cè)量，然后可以輸出位移-時(shí)間曲線；利用曲線處理工具對(duì)曲線進(jìn)行一階和二階求導(dǎo)，便可以得到機(jī)器人機(jī)械手的速度和減速度曲線。

將模型的各個(gè)零件導(dǎo)入到ADAMS之后，零件之間還沒(méi)有添加約束，構(gòu)件之間在ADAMS中是獨(dú)立存在的，因此需要給機(jī)器人裝配體添加運(yùn)動(dòng)約束， ADAMS/View共提供了3種類(lèi)型的約束，包括基本約束、運(yùn)動(dòng)約束和運(yùn)動(dòng)副約束。

圖3為機(jī)器人添加約束的示意圖。其中，機(jī)械臂和執(zhí)行末端的各個(gè)關(guān)節(jié)之間都是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，因此可以定義為旋轉(zhuǎn)副，底座定義為固定副，對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)添加驅(qū)動(dòng)，便可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

圖3　機(jī)器人添加約束示意圖

3機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)于采摘機(jī)器人機(jī)械手的研究，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究的重點(diǎn)，包括姿態(tài)、位置和力學(xué)分析。利用ADAMS可以輸出機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的時(shí)間-位移曲線，取主要的3個(gè)關(guān)節(jié)曲線進(jìn)行輸出，如圖4所示。

圖4　各個(gè)關(guān)節(jié)位移-時(shí)間曲線

由圖4可以看出：隨著圓錐曲線運(yùn)動(dòng)半徑的增大，機(jī)械手的位移變化比較顯著，因此可以根據(jù)軌跡的變化對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使其速度和加速度變化緩慢，從而可以在無(wú)需重新建模的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析過(guò)程。為了進(jìn)一步研究機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，需要對(duì)機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行力學(xué)分析。

在ADAMS中進(jìn)行力學(xué)分析，可以采用New2ton-Euler方法建立動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行求解，而在實(shí)際應(yīng)用中，需要采用你逆動(dòng)力進(jìn)行仿真。在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解時(shí)，需要在質(zhì)心點(diǎn)添加一個(gè)力，該力的大小為800N，通過(guò)計(jì)算得到的分析曲線如圖5所示。

圖5　采摘機(jī)器人機(jī)械手Z方向上的受力

圖5表示通過(guò)仿真模擬計(jì)算，在Z方向上得到的采摘機(jī)器人的受力曲線。由圖5可以看出：機(jī)械手在在圓錐運(yùn)動(dòng)時(shí)，3個(gè)關(guān)節(jié)的受力大致相同，變化不大，因此符合設(shè)計(jì)的要求。

4結(jié)論

應(yīng)用高級(jí)建模軟件UG和虛擬仿真軟件ADAMS，將采摘機(jī)器人的建模和運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析結(jié)合了起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。軟件建模和虛擬仿真的使用，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，提高了工作效率，可以使設(shè)計(jì)人員把更多的精力投入到結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)和制造的創(chuàng)新具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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Dynamic Simulation Analysis of Picking Robot Based on UG and ADAMS

Li Zhuoran

(Department of Electronic Information，Luoding Polytechnic, Luoding 527200,China)

Abstract：In order to improve the speed of the robot manipulator design, shorten the development cycle and time, and improve the accuracy of the design, by using UG and ADAMS software joint simulation method, the picking robot is designed and optimized. Firstly, the 3D solid model of the robot manipulator with six degrees of freedom is modeled by UG software, and then the model is imported into ADAMS by using UG and ADAMS. The model is added to the actual design requirements. Finally, the dynamic simulation of the manipulator is carried out. Through simulation calculation, the displacement time curves and mechanical analysis curves of the joints of the manipulator are obtained by observing the movement track and force of the structure.

Key words：picking manipulator; combined simulation; motion analysis; ADAMS; UG

中圖分類(lèi)號(hào)：S24

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0239-03

作者簡(jiǎn)介：李卓然(1989-)，男，哈爾濱人，助教，碩士，(E-mail)714465653@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新工程項(xiàng)目(2015-2017)

收稿日期：2015-10-26