◎李關(guān)健 陳文家 王汝夢

基于Adams的六軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)仿真分析

◎李關(guān)健 陳文家 王汝夢

通過六軸機(jī)器人的D-H參數(shù)表推導(dǎo)出正運(yùn)動學(xué)的求解公式，并通過末端位姿數(shù)值能夠求解出每個關(guān)節(jié)角的數(shù)值，然后利用solidworks三維軟件建立六軸機(jī)器人三維本體設(shè)計，并通過更改成x-t格式導(dǎo)入到Adams進(jìn)行約束和驅(qū)動操作，即而建立成六軸工業(yè)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。從而對虛擬樣機(jī)進(jìn)行求解分析，然后通過運(yùn)動仿真模擬機(jī)械臂關(guān)節(jié)的驅(qū)動情況，得出其運(yùn)動曲線，即而驗證模型建立的正確性，為后續(xù)的相應(yīng)的實驗和研究建立良好的基礎(chǔ)。

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)化機(jī)器人日新月異的交替更新，智能化的發(fā)展水平越來越高，而且涉及范圍之廣，成為現(xiàn)代生產(chǎn)和高科技研究中一個不可或缺的部分，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計對人類的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化、數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用范圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會的新興產(chǎn)業(yè)，對未來生產(chǎn)和社會發(fā)展起著越來越重要的作用，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要深厚的工業(yè)基礎(chǔ)和科技底蘊(yùn)，當(dāng)前我國的機(jī)器人發(fā)展仍然落后歐美日等發(fā)達(dá)國家很大的距離。

六軸工業(yè)機(jī)器人的仿真建模

六軸工業(yè)機(jī)器人的三維模型建立

采用solidworks三維軟件對本體進(jìn)行設(shè)計，其造型如圖1所示。該工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)采用開鏈連桿式的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，組成有：基座、腰部、大臂、肩部、小臂、手腕，而且還包括能夠旋轉(zhuǎn)的腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)機(jī)、腕關(guān)節(jié)和手爪關(guān)節(jié)等等，同時該六軸工業(yè)機(jī)器人能夠擁有六個自由度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)末端在空間的任何位姿。

虛擬樣機(jī)的建立

在solidworks中對本體進(jìn)行剛體和對零件進(jìn)行合并，有的小型零部件進(jìn)行刪除因為在導(dǎo)入Adams軟件中如果零部件太多，對分析的結(jié)果會有較大的誤差，而且分析過程會有比較多的錯誤，進(jìn)行前期工作結(jié)束后，把其本體格式改成x-t格式，然后導(dǎo)入到Adams中進(jìn)行約束的定義。為了對零件進(jìn)行更好的約束以及后續(xù)的操作，對相應(yīng)的零件進(jìn)行修改成相應(yīng)的名稱，然后對其零部件進(jìn)行運(yùn)動副約束，基本約束，并且添加相應(yīng)的載荷，在進(jìn)行仿真之前需要把基座和底座進(jìn)行固定約束，這樣的模型才能夠進(jìn)行正確的仿真。如圖2所示為虛擬樣機(jī)的模型

連桿參數(shù)和運(yùn)動學(xué)分析

機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析包括位移、速度和加速度等分析問題，實際上是對于機(jī)器人的末端執(zhí)行器的一個簡單位姿研究末端執(zhí)行器的幾何學(xué)問題，即位移問題。運(yùn)動學(xué)要區(qū)分兩個問題，即運(yùn)動學(xué)正問題和逆問題［1］。機(jī)器人中桿與桿之間關(guān)系可以用四個運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行描述，采用Denavit-Hartenberg參數(shù)方法描述機(jī)構(gòu)的運(yùn)動關(guān)系，在桿件上建立坐標(biāo)系，根據(jù)坐標(biāo)系所在連桿的編號對固連坐標(biāo)系命名，固連在連桿i上的坐標(biāo)系稱為坐標(biāo)系｛i｝采用D-H方法確定各個連個連桿之間的參數(shù)。如表一

運(yùn)用每個關(guān)節(jié)角可以求解末端的位姿，也可以通過末端位姿的參數(shù)，逆解出每個關(guān)節(jié)角的參數(shù)，為后面分析提供依據(jù)。

運(yùn)動仿真與分析六軸工業(yè)機(jī)器人的動態(tài)仿真

在Adams/View界面中進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)仿真和可以進(jìn)行機(jī)電一體化的系統(tǒng)仿真分析，從而對相應(yīng)的本體進(jìn)行準(zhǔn)確的理論仿真。在仿真之前對每個零件、關(guān)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的約束和驅(qū)動，設(shè)置參數(shù)Trax Step5（time，1，0，2，300）和Traz Step5（time，0，0，1，500）模擬其運(yùn)動的情況，分析得出本體的動態(tài)仿真情況。對六軸工業(yè)機(jī)器人的腰關(guān)節(jié)、大臂關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)的約束和驅(qū)動，從而來模擬樣機(jī)中復(fù)雜的運(yùn)動，設(shè)置相應(yīng)的驅(qū)動參數(shù)，分析末端、小臂、大臂幾個重要關(guān)節(jié)變量的速度測量，位移測量。運(yùn)動后的獲得曲線圖如圖3、 圖4。

圖3、六軸工業(yè)機(jī)器人末端、小臂、大臂、幾個重要關(guān)節(jié)變量的速度曲線圖

圖4、六軸工業(yè)機(jī)器人末端、小臂、大臂幾個重要關(guān)節(jié)變量的位移曲線圖

由正運(yùn)動學(xué)分析不但能夠得出的末端的位姿的參數(shù)值，通過逆運(yùn)動學(xué)分析由末端位姿參數(shù)值能夠求解出每個關(guān)節(jié)參數(shù)值，一般逆解中會出現(xiàn)多重解，會從中擇優(yōu)選出一組數(shù)據(jù)，并為機(jī)器人其余的分析研究打下基礎(chǔ)，利用solidworks軟件的三維建模能力對本體進(jìn)行模型的建立，并通過相應(yīng)的處理導(dǎo)入到Adams軟件中，進(jìn)行相應(yīng)的零部件的約束和驅(qū)動的添加，從而獲得相應(yīng)的虛擬樣機(jī)，即而進(jìn)行動態(tài)仿真分析，從分析得出的運(yùn)動曲線圖中可以看出本體設(shè)計的模型完全正確，符合設(shè)計要求，對后續(xù)的優(yōu)化改造、六軸工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動控制和相應(yīng)的標(biāo)定實驗提供了良好的依據(jù)。

（作者單位：揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）