5R關節型機械手動力性能分析及其仿真的研究

陶 柯，劉 興，劉義杰，李建維

（1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870；2.北方重工集團有限公司，遼寧沈陽 110000）

5R關節型機械手動力性能分析及其仿真的研究

陶 柯1，劉 興1，劉義杰1，李建維2

（1.沈陽工業大學，遼寧沈陽 110870；2.北方重工集團有限公司，遼寧沈陽 110000）

基于機械手和數控機床的布局要求，對5R機械手動力性能進行探究，并通過ADAMS建立模型并進行仿真，在不同條件下得出各個關節的力矩變化曲線，然后對比分析數據，在本體設計中加以改進優化。

關節型機械手；動力學分析；ADAMS；仿真

0 前言

關節型機械手具有高度的靈活性和能動性，其作為自動化生產中的上下料工具，既提高了效率，又能保證加工精度和產品質量[1]。本文就是根據數控機床、加工工件和機械手的布局，對5R機械手動力性能進行探究，運用D-H法對機械手系統進行運動學分析，采用拉格朗日方法進行動力學計算，然后通過ADAMS進行動力學仿真。

圖1 5R機械手關節坐標系

1 5R機械手機構運動學描述

1.1 建立系統坐標系

在機械手系統各運動關節上建立坐標系，該機械手有6個活動構件組成，具有5個旋轉關節，在各個關節上建立坐標系，如圖1。

表1 5R機械手參數

1.2 各個連桿及關節參數的確定

根據數控機床、加工工件和機械手的布局及上下料流程（如圖2），初步確定各連桿及關節的參數，如表1[2]所示。

圖2 5R機械手上下料路徑圖

1.3 坐標系矩陣的變換

由表1及圖1可以得到連桿坐標系{i}相對于坐標系{i-1}的變換矩陣

則各關節坐標系{i}相對于基坐標系{0}的描述，有

2 系統的動力學分析

拉格朗日函數，表示系統總的動能Q與總的勢能U之差，即：

式（1）中，q=[q1,q2,q3,…,qn]表示動能和勢能的廣義坐標，表示相應的廣義速度。

根據拉格朗日函數L，可得系統動力學方程為：

式中F是n×1的關節驅動力或力矩矢量。

2.1 系統動能分析計算

（1）各個連桿質心的坐標（相對自身坐標系）矩陣（量綱為mm）

（2）各個連桿的質量矩陣（量綱為kg）

（3）各個連桿的慣性張量（量綱為kg·mm2）

（4）各個連桿的偽慣性矩陣通式（量綱為kg· mm2）

（5）連桿系統的慣量矩陣

通過以上參數，則機械手系統第i連桿的動能為：

故，5連桿機械手連桿系統總動能為：

此外機械手系統傳動裝置總動能：

其中，Ici——為傳動裝置的等效轉動慣量，kg·m2。則：

2.2 系統的勢能分析計算

（1）連桿系統的哥氏力和向心力的計算

（2）重力項的計算

其中重力矢量：

則該機械手連桿系統的重力項矩陣可表示為：

（3）各連桿質心的位置矢量（相對基座標）的求解：

則不計傳動裝置的勢能，5R機械手系統的總勢能為：

2.3 系統的拉格朗日動力學方程

將以上各參數代入到拉格朗日動力學方程，可以得到：

即可得到各個連桿的驅動力或力矩，由于此處計算較繁瑣，可借助計算機求解。

3 5R機械手系統的動力學仿真

三維實體的建模對其動力學仿真有重要影響。本文先通過Pro-E建模，然后導入到ADAMS環境中，對模型添加約束。在仿真時，可以得出各關節在運動過程中的變量變化曲線。

3.1 不同條件下關節力矩的探究

已知待加工工件重60 N，加工后為50 N。擬定機械手A、B兩種運動軌跡。

總節拍為24 s時，機械手在上下料過程中A、B軌跡下各關節力矩的變化曲線（如圖3、圖4）。

圖3 24 s-A力矩變化曲線

圖4 24 s-B力矩變化曲線

改變節拍，在總時間為16 s時各關節在A、B軌跡下的力矩曲線（如圖5、圖6）。

圖5 16 s-A力矩變化曲線

3.2 數據結果的比較

在相同節拍時，B軌跡相對于A軌跡各關節力矩峰值的增幅，如表2。

在A、B同種軌跡下，16 s相對于24 s各關節力矩峰值的增幅，如表3。

圖6 16 s-B力矩變化曲線

表2 同種軌跡下不同節拍的力矩增幅

表3 相同節拍下不同軌跡的關節力矩增幅

4 結論

通過以上曲線和數據，可以得出以下結論：

（1）在總節拍時間相同的情況下，機械手末端運動路徑對關節的力矩峰值影響很小，可以忽略不計；

（2）在同種軌跡下，縮短運行時間，各關節的力矩變化的平穩性變差；

（3）關節1力矩主要受運行時間的影響，當明顯改變關節運行時間時，其力矩變化很顯著；

（4）關節3、4的力矩主要受重力影響，角加速度變化對其影響不大。

［1］白麗平.基于ADAMS的機器人動力學仿真分析［J］.機電工程，2007，24（7）：74-77.

［2］Ke Tao，Yuanyuan Zhang.The Mechanism Analysis and Trajectory of 5R Joint Manipulator［J］.Applied Me?chanics and Materials，2012，220（10）：1744-1747.

［3］李金恒，肖慧，胡志華.基于ADAMS的機械手臂運動仿真分析 ［J］.機床與液壓，2009，37（8）：206-209.

［4］車仁煒，呂光明，陸念力.五自由度康復機械手的動力學分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2005，37（6）：744-747.

［5］熊有倫.機器人技術基礎［M］.武漢：華中科技大學出版社，2004.

Dynamic Analysis and Simulation of 5R Multi-Joint Robot

TAO Ke1，LIU Xing1，LIU Yi-jie1，LI Jian-wei2
（1.Shenyang University of Technology，Shenyang110870，China；2.North Heavy Industries，Shenyang110000，China）

Based on the layout requirements of the Robots and CNC machine tools，5R multi-joint robot structure parameter are designed and dynamic simulation model are built by ADAMS.By dynamics simulation analysis，torque changing curves are obtained.Then after analyzing the curves，the real design of the body can be improved.

multi-joint robot；dynamic analysis；ADAMS；simulation

TP241

：A

：1009－9492(2014)11－0024－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.007

陶 柯，男，1958年生，遼寧沈陽人，碩士，副教授。研究領域：機電系統的控制與優化。

(編輯：阮 毅)

2014－05－30