基于ADAMS軟件的3-RPS并聯機器人動力學仿真

陳紅亮，陳升芳，羅玉峰

(1.浙江水利水電專科學校，浙江杭州310018;2.杭州金宇電子有限公司，浙江杭州310018;3.南昌大學機電工程學院，江西南昌330031;4.新余學院，江西新余338031)

動力學響應分析是在機械系統驅動力(或力矩)和工作阻力給定的條件下，考慮到機械系統各構件的質量及其質量分布，求解該機械系統的真實運動的問題[1]。但是對于并聯機器人機構來說，其剛體動力學模型具有多變量、多參數耦合的特點，因而求解型式復雜，使動力學的求解時間長而難以滿足控制系統的實時性要求。不過借助于虛擬樣機技術，根據并聯機器人的運動要求，求解出機器人的動力學響應，可以起到事半功倍的作用[2－3]。

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程，建立系統的動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等[4－6]。文中以3-RPS型并聯機器人為對象，在ADAMS/View 環境中建立模型并進行動力學仿真分析，通過仿真快速準確求解動力學響應，對于研究并聯機器人系統動力學特性和控制有一定參考價值。

1 3-RPS機器人機構描述

如圖1所示，3-RPS機器人機構由定平臺A1A2A3、動平臺B1B2B3及連接兩個平臺的3個相同的分支組成。其中每個分支與動平臺由球副S 連接，與定平臺由轉動副R 連接，分支的上下兩個驅動桿由移動副P 連接組成。

圖1 3-RPS機器人機構模型

該機構動平臺和定平臺都為正三角形，其外接圓半徑分別為r 和R。每個分支長度分別為L1、L2、L3。轉動副軸線呈切向布置于固定平臺平面內，驅動桿(分支)與轉動副軸線垂直，按右手法則建立定坐標系Oxyz 于固定平臺形心O，x軸由點O 指向點A1，y軸在定平臺表面垂直于x，z軸垂直于固定平臺表面向上;同樣建立動坐標系PUVW位于運動平臺形心P，U軸由點P 指向點B1，W軸垂直運動平臺表面向上。

2 已知運動軌跡求解驅動

在ADAMS/View 中建立該機器人模型，機構參數分別為:動平臺外接圓半徑r=480 mm，定平臺外接圓半徑R=800 mm，驅動桿長度600 mm。

假設機器人進行如下螺旋運動:z 方向以15t的速度向上運動，x 方向和y 方向分別以15×cos進行圓周運動。在機器人動平臺中心施加驅動。在ADAMS軟件中作10 s 200步的仿真，得到3個驅動桿的位移曲線圖分別如圖2—4所示。

圖2 驅動桿1的位移曲線圖

圖3 驅動桿2的位移曲線圖

圖4 驅動桿3 的位移曲線圖

在ADAMS的后處理程序中，可以將該驅動曲線圖轉換為樣條曲線，進而求得并聯機器人機構的運動學逆解。

3 動力學分析

假設機器人為剛體結果，給機器人動平臺施加一個力，力的大小分別為，Fx=400 N，Fy=400 N，Fz=400 N。在ADAMS軟件中，可以求得驅動桿所需的驅動力隨時間變化的曲線圖，分別如圖5—7所示。

圖5 驅動桿1的驅動力

圖6 驅動桿2 的驅動力

圖7 驅動桿3的驅動力

借助ADAMS軟件，還可以求得機構中各運動副的約束力隨時間變化的曲線。

4 結論

(1)用ADAMS軟件建立虛擬樣機模型來進行機器人的運動分析與動力分析，不必進行大量的編程工作，節省了大量的時間和人力。

(2)ADAMS軟件中由曲線轉化的樣條曲線精度非常高，因此利用該方法得到的并聯機器人的正解與逆解的精度也很高。這對于研制新型機器人機構有著重要的意義，可以驗證科研人員自編程序的正確性，也可以通過機器人運動規劃將求出的逆解用于物理樣機的驅動控制，從而節省科研人員的時間，降低機器人研發成本。

【1】羅玉峰，劉治志，石志新，等.一種機械系統動力學響應分析方法[J].工程設計學報，2008，15(1):1－5.

【2】陳紅亮，羅玉峰，楊廷力.基于虛擬樣機技術的并聯機器人優化設計[J].機床與液壓，2010，38(24):25－26.

【3】崔玉秀，田洪鈞，崔煒.基于ADAMS軟件的3-RRC并聯機器人運動學正解仿真分析[J].機械制造與研究，2008，37(1):68－70.

【4】陳立平，張云清，任衛群，等.機械系統動力學分析及ADAMS 應用教程[M].北京:清華大學出版社，2005.

【5】楊成文，張鐵.基于ADAMS的SCARA機器人運動學仿真研究[J].機床與液壓，2011，39(21):118－120.

【6】陳有清，李開明.基于Adams的3-(2SPS)并聯機構的配重平衡分析[J].機床與液壓，2011，39(11):29－32.