基于RecurDyn的雙SCARA機器人動力學分析

摘 要： 提出一種可用于微小零部件裝配作業的新的雙SCARA并聯機器人，其有三個自由度：兩個平動和一個轉動。利用參數化三維建模軟件UG對雙SCARA并聯機器人進行三維實體建模，同時將模型導入Recurdyn仿真軟件，構建雙SCARA并聯機器人的虛擬樣機。通過設置相應的仿真環境和仿真參數進行仿真分析，得出機器人各個關節的驅動力矩隨時間變化的曲線，為該并聯機器人的控制問題和機構優化提供技術基礎。

關鍵詞：并聯機構；虛擬樣機；關節力矩；仿真分析

并聯機器人系統具備著特有的高精度、高剛度、高承載力、自重負荷小等多方面優點，自問世以來就引起極大關注。在很多特定的工業場合，例如涉及到大量微小零部件的裝配作業，通過使用平面五桿機構進行操作，可以將并聯機構便于控制，重復定位能力高，成本低等方面的優勢能更為明顯的體現出來。伴隨著技術的不斷完善和發展，該平面并聯機器人技術必然會被更為廣泛地應用在工業自動化生產領域中。

通過虛擬樣機技術對機電系統進行動力學、靜力學分析，不僅可以為設計方案的優化和控制系統的開發提供可靠的依據，還可以大大減少物理樣機的制造成本和實驗次數，大幅縮短產品開發周期，有效提升產品質量并降低開發成本。因此，在知識經濟背景下，對機器人系統進行虛擬樣機及其技術的研究和開發，可以更高質量地提高產品性能，完成對快速變化市場的敏捷響應。

1 雙SCARA機器人結構

雙SCARA機器人的結構如圖1所示，由4個連桿及其支架，三個電機及末端手爪組成。連桿之間，連桿與支架之間均為旋轉副連接。該機器人有三個自由度，可以實現平面上沿著兩個坐標軸（X軸、Y軸）方向上的平動和繞著一個坐標軸（Z軸）的轉動。需要指出的是，XY平面內的平動是由該機器人機構中的平面五桿機構的運動來實現的，而末端抓手的轉動則是由軸3，通過安裝在連桿4上的一個電機來實現的。

2 仿真模型的建立

在UG中按照設計尺寸對雙SCARA機器人機構進行了三維建模，再將UG軟件內已經裝配好的機器人系統模型導出為Parasolid格式文件，再導入到Recurdyn仿真軟件內，作為基本模型。由于整個機器人系統結構復雜，每個關節內部的運動也較復雜，如果做出完全理想的運動仿真需要相當大的難度和運算量，而且本文構建的虛擬樣機系統僅僅側重于對雙臂系統整體的運動學和動力學建模仿真分析，所以可以對關節內部結構進行一定的簡化，即采用Recurdyn仿真軟件的Boolean功能對關節內部零部件進行了合并，將對應的電機和關節軸視為一個整體來進行討論和分析。

建立和簡化模型結構后，利用Recurdyn仿真軟件中Connectors模塊，根據各關節、連接件、連桿等部件之間的約束關系，添加約束副；再利用Motions模塊，模仿主動關節的電機輸出，建立關節驅動。在本文的面向雙SCARA機器人系統的仿真實驗中，設置三個主動關節的轉速均為0.3rad/s。

3 仿真分析

本文的仿真實驗是對雙SCARA機器人進行虛動力學仿真和分析。該機器人共有6個關節，均為轉動關節，其中關節1，關節2，關節6（對應于軸1、軸2、軸3）為主動關節。動力學仿真實驗就是提供給這三個關節驅動，使機器人末端實現一定的位置和姿態的變化。

利用Recurdyn軟件中的仿真分析工具箱，設置 仿真時間為5s，仿真工作步數為500步。對雙SCARA機器人進行仿真計算，得到的結果如圖2所示。

圖2為關節1和關節2的驅動力矩變化曲線，圖3為關節6的驅動力矩變化曲線。兩個關節均為勻速運動，但是由于重力和轉動慣量變化的影響，所需要的驅動力矩在運動過程中是不斷的變化的。圖4為關節6的驅動力矩的變化曲線，很明顯，關節6所需的驅動力矩明顯小于關節1和關節2的驅動力矩，這是因為關節6的運動僅僅收到末端連桿和手爪的影響。由各主動關節驅動力矩的曲線圖可以得到任意時刻各關節所需要的驅動力矩值，從而為機構的優化設計和控制系統的設計開發提供了理論基礎。

4 結論

針對提出的雙SCARA并聯機器人機構，搭建了冗余雙臂機器人系統的虛擬樣機。利用虛擬樣機系統，對雙SCARA并聯機器人的動力學分析問題進行虛擬樣機仿真分析，得到各個關節的驅動力矩曲線，從而為進一步控制和機構優化問題研究提供依據。

參考文獻：

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基金項目：陜西國防工業職業技術學院基金項目（Gfy1725）

作者簡介：申浩宇（1986），男，講師，主要研究方向：機器人動力學及控制。