梁 峰

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引言

機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)過程中電機(jī)、減速器等零部件的選型是核心問題之一。目前對機(jī)器人的電機(jī)和減速器的選型有大量研究，文獻(xiàn)[1]提出了基于負(fù)載曲線的電機(jī)選型方法。要獲取機(jī)器人的各關(guān)節(jié)負(fù)載曲線，目前流行的方法是運(yùn)用ADAMS軟件對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

ADAMS是一套成熟的動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，目前已被廣泛用于各領(lǐng)域，其具有一系列的約束庫、力庫，可以對系統(tǒng)靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行分析，輸出位移、速度、加速度、力、力矩等分析曲線。其不僅可用于測試機(jī)械系統(tǒng)的性能，也可應(yīng)用于二次開發(fā)，作為虛擬樣機(jī)開發(fā)工具[2]。本文利用ADAMS對混聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到各關(guān)節(jié)的力矩變化情況和峰值力矩。

1 混聯(lián)機(jī)器人構(gòu)成

本文的混聯(lián)機(jī)器人由一臺(tái)SCARA和一個(gè)3-RSR機(jī)構(gòu)構(gòu)成，3-RSR機(jī)構(gòu)固定安裝在SCARA末端，作為SCARA的末端執(zhí)行器。SCARA有4個(gè)自由度，3-RSR機(jī)構(gòu)有3個(gè)自由度，因而混聯(lián)機(jī)器人具有7個(gè)自由度。在SolidWorks中建立混聯(lián)機(jī)器人的三維模型(如圖1所示)，為之后的仿真分析做準(zhǔn)備。

圖1 混聯(lián)機(jī)器人3D模型

圖2為SCARA的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由基座、第一關(guān)節(jié)、大臂、第二關(guān)節(jié)、小臂、末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和末端上下移動(dòng)關(guān)節(jié)組成。其中第一關(guān)節(jié)主要由電機(jī)1和減速器1組成，第二關(guān)節(jié)由電機(jī)2和減速器2組成；末端旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)主要由電機(jī)3、同步帶1和絲桿組成；末端移動(dòng)關(guān)節(jié)主要由電機(jī)4、同步帶2和花鍵軸組成。

圖2 SCARA結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為3-RSR機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，它由等半徑的移動(dòng)平臺(tái)和基座以及3個(gè)完全相同的運(yùn)動(dòng)支鏈組成，每條支鏈由一根主動(dòng)桿和一根從動(dòng)桿構(gòu)成，主動(dòng)桿和從動(dòng)桿通過一個(gè)球副連接，主動(dòng)桿通過一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和基座相連，從動(dòng)桿通過轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)平臺(tái)相連，3根主動(dòng)桿通過3個(gè)舵機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

2 仿真模型的建立

為了得到混聯(lián)機(jī)器人各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的力矩變化情況和峰值力矩，本文利用ADAMS軟件對機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。在仿真之前，首先要在ADAMS中建立仿真模型，具體建模過程如下。

2.1 導(dǎo)入三維模型

仿真的前提是建立機(jī)器人的物理模型，模型的準(zhǔn)確性直接影響仿真的結(jié)果[3]。ADAMS支持三種方法建立實(shí)體模型：①用ADAMS建模工具直接建模；②通過ADAMS/Exchange模塊從外部輸入模型文件；③通過專業(yè)圖形接口模型建立模型，如Mechanical/Pro模塊。由于本課題的混聯(lián)機(jī)器人三維模型較為復(fù)雜，很難在ADAMS中直接建立模型，本文采用第二種方法，即采用SolidWorks軟件建立混聯(lián)機(jī)器人的三維模型，再將建立好的三維模型導(dǎo)入到ADAMS中，具體操作流程如下：

(1) 在SolidWorks軟件中建立混聯(lián)機(jī)器人精確的三維模型。

(2) 對三維模型做簡化處理，使得ADAMS軟件的操作變得更加簡單。簡化處理主要包括兩個(gè)方面：①將相鄰兩個(gè)材料相同且沒有相對運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行連接操作變成一個(gè)零件；②將一些對機(jī)器人質(zhì)量分布影響無關(guān)緊要的零件剔除，比如墊片、小螺絲等。

(3) 在SolidWorks中將模型的格式保存為parasolid格式,通過ADAMS/View功能模塊中的Import選項(xiàng)將模型導(dǎo)入ADAMS中。

圖3 3-RSR機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 配置仿真環(huán)境

在ADAMS中導(dǎo)入混聯(lián)機(jī)器人的三維模型，還需要對模型和仿真環(huán)境做進(jìn)一步的配置和修改，具體的操作如下：

(1) 設(shè)置重力：仿真是在重力場下進(jìn)行的，所以需要設(shè)置重力。在此應(yīng)把重力的方向設(shè)置成正確的方向，否則會(huì)導(dǎo)致仿真錯(cuò)誤。

(2) 修改零件的質(zhì)量屬性：ADAMS/View自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件的體積，并根據(jù)體積和材料的密度自動(dòng)計(jì)算出構(gòu)件的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和慣性矩。ADAMS/View提供了3種修改構(gòu)件質(zhì)量和慣性矩的方法：①輸入材料名稱，ADAMS/View自動(dòng)到材料庫中查找該材料的密度，然后根據(jù)材料的密度和幾何形狀計(jì)算質(zhì)量和慣性矩；②輸入材料的密度，ADAMS/View根據(jù)材料的密度和幾何形狀計(jì)算質(zhì)量和慣性矩；③直接輸入構(gòu)件的質(zhì)量和慣性矩，同時(shí)還需要輸入構(gòu)件的質(zhì)心標(biāo)記點(diǎn)和慣性參考標(biāo)記點(diǎn)。本文混聯(lián)機(jī)器人的零件材料主要是鋁和鋼，在軟件自帶的材料庫中有這些材料，故采用第一種方法指定零件的質(zhì)量屬性。

(3) 簡化仿真三維模型：將那些相互之間沒有相對運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件用固定副連接起來，從而進(jìn)一步簡化仿真三維模型。需要注意的是，該步驟不能和步驟(2)顛倒，否則會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的質(zhì)量屬性計(jì)算錯(cuò)誤，仿真不準(zhǔn)確。

(4) 設(shè)置運(yùn)動(dòng)關(guān)系：ADAMS/View為用戶提供了12個(gè)常用的理想約束工具，即旋轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、圓柱副、球副、平面副、等速度副、虎克鉸、萬向副、螺旋副、齒輪副、耦合副和固定副。本文涉及的有圓柱副、旋轉(zhuǎn)副、螺旋副、球副、移動(dòng)副和固定副。

(5) 添加末端負(fù)載：混聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷是分揀、裝配質(zhì)量輕、體積小的電子元器件?？紤]到實(shí)際的應(yīng)用場景，末端負(fù)載不會(huì)超過100 g，故在機(jī)器人末端添加100 g的負(fù)載。

最終建立的混聯(lián)機(jī)器人仿真模型如圖4所示。

圖4 混聯(lián)機(jī)器人仿真模型

3 動(dòng)力學(xué)仿真及結(jié)果分析

在建立仿真模型的基礎(chǔ)上，首先給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。在ADAMS中用于設(shè)定部件運(yùn)動(dòng)的函數(shù)主要有兩個(gè)：if函數(shù)和STEP函數(shù)[4]。其中，STEP函數(shù)包括STEP和STEP5兩種函數(shù)，兩者沒有本質(zhì)上的區(qū)別，主要的區(qū)別在于在連接始末兩點(diǎn)時(shí)，STEP函數(shù)采用三次函數(shù)，而STEP5采用五次函數(shù)。本文采用STEP5函數(shù)給各關(guān)節(jié)指定運(yùn)動(dòng)。

由于機(jī)器人在工作空間中的運(yùn)動(dòng)軌跡有無數(shù)條，仿真過程中不可能包括機(jī)器人工作空間的所有運(yùn)動(dòng)軌跡，只能夠選取具有代表性的運(yùn)動(dòng)軌跡，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)必須包含需要最大力矩的情況。

在仿真之前還要檢測模型定義是否正確，在ADAMS中可以利用Model Verify命令進(jìn)行檢測，結(jié)果信息如圖5所示。

圖5 ADAMS模型檢測結(jié)果

檢測結(jié)果顯示：本課題的混聯(lián)機(jī)器人包括25個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，1個(gè)圓柱副約束，11個(gè)旋轉(zhuǎn)副約束，1個(gè)螺旋副約束，3個(gè)球副約束，1個(gè)移動(dòng)副約束和12個(gè)固定副約束。7個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)約束了7個(gè)自由度后，機(jī)器人的自由度為0，檢測表明模型定義是正確的。

設(shè)置仿真時(shí)間為2 s，仿真步長為0.005 s。在仿真過程中測量各關(guān)節(jié)的力矩變化情況，得到的結(jié)果如圖6～圖12所示。

由圖6～圖12可知：第1關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間最大力矩為43.447 5 Nm，第2關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間最大力矩為18.489 4 Nm，第3關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間最大力矩為2.582 6 Nm，第4關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)空間最大力矩為1.594 8 Nm，第5關(guān)節(jié)的最大力矩為1.9 Nm，第6關(guān)節(jié)的最大力矩為1.532 9 Nm，第7關(guān)節(jié)的最大力矩為1.465 Nm。

圖6第1關(guān)節(jié)力矩變化曲線圖7第2關(guān)節(jié)力矩變化曲線圖8第3關(guān)節(jié)力矩變化曲線

圖9第4關(guān)節(jié)力矩變化曲線圖10第5關(guān)節(jié)力矩變化曲線圖11第6關(guān)節(jié)力矩變化曲線

圖12 第7關(guān)節(jié)力矩變化曲線

4 結(jié)語

通過動(dòng)力學(xué)仿真，得到了混聯(lián)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中各關(guān)節(jié)的峰值力矩，可為電機(jī)、減速器和舵機(jī)的選型提供依據(jù)。