摘 要： 提出一種可用于微小零部件裝配作業(yè)的新的雙SCARA并聯(lián)機(jī)器人，其有三個(gè)自由度：兩個(gè)平動(dòng)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。利用參數(shù)化三維建模軟件UG對(duì)雙SCARA并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行三維實(shí)體建模，同時(shí)將模型導(dǎo)入Recurdyn仿真軟件，構(gòu)建雙SCARA并聯(lián)機(jī)器人的虛擬樣機(jī)。通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的仿真環(huán)境和仿真參數(shù)進(jìn)行仿真分析，得出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩隨時(shí)間變化的曲線，為該并聯(lián)機(jī)器人的控制問(wèn)題和機(jī)構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)；關(guān)節(jié)力矩；仿真分析

并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)具備著特有的高精度、高剛度、高承載力、自重負(fù)荷小等多方面優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)就引起極大關(guān)注。在很多特定的工業(yè)場(chǎng)合，例如涉及到大量微小零部件的裝配作業(yè)，通過(guò)使用平面五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，可以將并聯(lián)機(jī)構(gòu)便于控制，重復(fù)定位能力高，成本低等方面的優(yōu)勢(shì)能更為明顯的體現(xiàn)出來(lái)。伴隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，該平面并聯(lián)機(jī)器人技術(shù)必然會(huì)被更為廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域中。

通過(guò)虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析，不僅可以為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供可靠的依據(jù)，還可以大大減少物理樣機(jī)的制造成本和實(shí)驗(yàn)次數(shù)，大幅縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低開(kāi)發(fā)成本。因此，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)背景下，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行虛擬樣機(jī)及其技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，可以更高質(zhì)量地提高產(chǎn)品性能，完成對(duì)快速變化市場(chǎng)的敏捷響應(yīng)。

1 雙SCARA機(jī)器人結(jié)構(gòu)

雙SCARA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個(gè)連桿及其支架，三個(gè)電機(jī)及末端手爪組成。連桿之間，連桿與支架之間均為旋轉(zhuǎn)副連接。該機(jī)器人有三個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)平面上沿著兩個(gè)坐標(biāo)軸（X軸、Y軸）方向上的平動(dòng)和繞著一個(gè)坐標(biāo)軸（Z軸）的轉(zhuǎn)動(dòng)。需要指出的是，XY平面內(nèi)的平動(dòng)是由該機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的平面五桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而末端抓手的轉(zhuǎn)動(dòng)則是由軸3，通過(guò)安裝在連桿4上的一個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 仿真模型的建立

在UG中按照設(shè)計(jì)尺寸對(duì)雙SCARA機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維建模，再將UG軟件內(nèi)已經(jīng)裝配好的機(jī)器人系統(tǒng)模型導(dǎo)出為Parasolid格式文件，再導(dǎo)入到Recurdyn仿真軟件內(nèi)，作為基本模型。由于整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)也較復(fù)雜，如果做出完全理想的運(yùn)動(dòng)仿真需要相當(dāng)大的難度和運(yùn)算量，而且本文構(gòu)建的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)僅僅側(cè)重于對(duì)雙臂系統(tǒng)整體的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模仿真分析，所以可以對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化，即采用Recurdyn仿真軟件的Boolean功能對(duì)關(guān)節(jié)內(nèi)部零部件進(jìn)行了合并，將對(duì)應(yīng)的電機(jī)和關(guān)節(jié)軸視為一個(gè)整體來(lái)進(jìn)行討論和分析。

建立和簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)后，利用Recurdyn仿真軟件中Connectors模塊，根據(jù)各關(guān)節(jié)、連接件、連桿等部件之間的約束關(guān)系，添加約束副；再利用Motions模塊，模仿主動(dòng)關(guān)節(jié)的電機(jī)輸出，建立關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。在本文的面向雙SCARA機(jī)器人系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置三個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速均為0.3rad/s。

3 仿真分析

本文的仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)雙SCARA機(jī)器人進(jìn)行虛動(dòng)力學(xué)仿真和分析。該機(jī)器人共有6個(gè)關(guān)節(jié)，均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中關(guān)節(jié)1，關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)6（對(duì)應(yīng)于軸1、軸2、軸3）為主動(dòng)關(guān)節(jié)。動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)就是提供給這三個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人末端實(shí)現(xiàn)一定的位置和姿態(tài)的變化。

利用Recurdyn軟件中的仿真分析工具箱，設(shè)置 仿真時(shí)間為5s，仿真工作步數(shù)為500步。對(duì)雙SCARA機(jī)器人進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2為關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線，圖3為關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線。兩個(gè)關(guān)節(jié)均為勻速運(yùn)動(dòng)，但是由于重力和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量變化的影響，所需要的驅(qū)動(dòng)力矩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是不斷的變化的。圖4為關(guān)節(jié)6的驅(qū)動(dòng)力矩的變化曲線，很明顯，關(guān)節(jié)6所需的驅(qū)動(dòng)力矩明顯小于關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的驅(qū)動(dòng)力矩，這是因?yàn)殛P(guān)節(jié)6的運(yùn)動(dòng)僅僅收到末端連桿和手爪的影響。由各主動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的曲線圖可以得到任意時(shí)刻各關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩值，從而為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對(duì)提出的雙SCARA并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，搭建了冗余雙臂機(jī)器人系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。利用虛擬樣機(jī)系統(tǒng)，對(duì)雙SCARA并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題進(jìn)行虛擬樣機(jī)仿真分析，得到各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩曲線，從而為進(jìn)一步控制和機(jī)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題研究提供依據(jù)。

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基金項(xiàng)目：陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基金項(xiàng)目（Gfy1725）

作者簡(jiǎn)介：申浩宇（1986），男，講師，主要研究方向：機(jī)器人動(dòng)力學(xué)及控制。