周會成，任正軍

(華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430074)

六軸機(jī)器人設(shè)計(jì)及動力學(xué)分析

周會成，任正軍

(華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，湖北武漢 430074)

按照機(jī)器人設(shè)計(jì)要求對機(jī)器人進(jìn)行了本體機(jī)械設(shè)計(jì)，并借助SolidWorks繪出其三維實(shí)體模型;然后將該虛擬機(jī)器人導(dǎo)入ADAMS平臺，再參照機(jī)器人實(shí)際的幾何參數(shù)、物理特性以及約束條件，建立了該機(jī)器人的動力學(xué)仿真模型，同時在接近機(jī)器人最大載荷處進(jìn)行空間軌跡跟蹤的仿真。仿真結(jié)果證明了本體機(jī)械設(shè)計(jì)的合理性，并為繼續(xù)優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)和提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供了有價值的數(shù)據(jù)信息。

六軸機(jī)器人;本體設(shè)計(jì);動力學(xué)仿真

工業(yè)機(jī)器人由于能夠適應(yīng)柔性自動化生產(chǎn)的要求，因而在近代得到了迅猛的發(fā)展。在工業(yè)機(jī)器人的研究和設(shè)計(jì)過程中，機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)系統(tǒng)的有關(guān)理論與應(yīng)用一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。開展機(jī)器人動力學(xué)研究的主要目的在于:一方面有助于改善機(jī)器人控制系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和控制精度;另一方面有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的動力學(xué)優(yōu)化，或?qū)扔袡C(jī)器人結(jié)構(gòu)做動力學(xué)特性的評估和檢驗(yàn)。

如前所述，機(jī)器人動力學(xué)分析的主要目的是用于對尚在設(shè)計(jì)中的和現(xiàn)有的機(jī)器人機(jī)械本體結(jié)構(gòu)做運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)方面的合理性評估，以及用于改善機(jī)器人運(yùn)動控制的品質(zhì)，并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制。通過動力學(xué)仿真對機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是近幾年才提出來的，且越來越引起人們的注意。目前，在機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，如運(yùn)動系統(tǒng)各種參數(shù) (尺寸、質(zhì)量、慣量)以及執(zhí)行驅(qū)動元件的選擇常常是基于經(jīng)驗(yàn)，而缺乏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。因此，對于實(shí)際應(yīng)用的機(jī)器人機(jī)構(gòu)，很多參數(shù)的選擇及馬達(dá)功率的確定往往是過大的，這從能量耗損和操作速度的觀點(diǎn)來看不是最優(yōu)的。因此，研究對于機(jī)器人機(jī)構(gòu)最優(yōu)的準(zhǔn)則也是十分重要的。

文中先按照設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出機(jī)器人的機(jī)械本體，并借助SolidWorks建立了該6自由度弧焊機(jī)器人的三維實(shí)體模型，然后將該模型導(dǎo)入ADAMS平臺，建立了該機(jī)器人的動力學(xué)仿真模型，并對其進(jìn)行動力學(xué)仿真，為優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)和提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供有價值的數(shù)據(jù)信息。

1 機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人主要用于焊接，末端載荷僅僅考慮焊槍自動送絲機(jī)等焊接設(shè)備重力，考慮到不同設(shè)備重力差別，設(shè)計(jì)載荷定在200 N，留有余量。設(shè)計(jì)要求手臂最長臂展2 m?？紤]到有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的鉸接開鏈?zhǔn)綑C(jī)器人操作機(jī)從運(yùn)動學(xué)上已被證明能以最小的機(jī)構(gòu)尺寸為代價獲得最大的工作空間，該機(jī)構(gòu)采用6個自由度的設(shè)計(jì)，其中3個自由度用于控制焊槍端部的空間位置，另外3個自由度用于控制焊槍的空間姿態(tài)。

機(jī)械手本體由底座、轉(zhuǎn)臺、大臂、肩部、小臂、手腕、末端執(zhí)行器所組成。共有6個自由度，依次為:轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、手腕俯仰和手腕回轉(zhuǎn)。

各個關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍限制見表1。

表1 各關(guān)節(jié)范圍

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動空間要求，先確定機(jī)器人基本幾何尺寸，繪制機(jī)器人關(guān)節(jié)作業(yè)區(qū)間圖，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人xz平面作業(yè)區(qū)間圖

在確定了機(jī)器人基本幾何尺寸后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及相關(guān)參數(shù)，對機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并利用SolidWorks繪出其三維模型，如圖2所示。該方案電機(jī)全部外置，這樣不僅布線方便，而且降低了對電機(jī)尺寸的要求，有利于減少成本。為了減小對二軸電機(jī)功率要求還特別設(shè)計(jì)了平衡缸部分，平衡缸的使用不僅降低了對二軸電機(jī)功率需求，而且增加了機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定性。三軸驅(qū)動采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了平衡錘，降低了對三軸電機(jī)功率要求。一、二、三軸減速采用RV減速器，四軸采用二級齒輪減速，五、六軸采用諧波減速器減速。其中底座、轉(zhuǎn)臺、平衡錘、拉桿采用灰鑄鐵，而大臂、肩部、上臂以及手腕相關(guān)鑄件則采用鑄鋁。

圖2 機(jī)器人三維模型

2 機(jī)器人動力學(xué)仿真模型的建立

機(jī)器人物理模型的創(chuàng)建是動力學(xué)分析的前提，也是該項(xiàng)技術(shù)的基礎(chǔ)，模型的準(zhǔn)確合理性直接影響到仿真數(shù)據(jù)的正確性，所以將仿真前的模型建立得更精確是動力學(xué)分析中必不可少的一步。

建立機(jī)器人動力學(xué)模型實(shí)際上是對系統(tǒng)的如下4個要素進(jìn)行定義:物體、鉸、外力、力元。定義如下:

物體，多體系統(tǒng)中的構(gòu)件定義為物體。機(jī)器人零部件眾多，如果將整個模型導(dǎo)入ADAMS，不僅工作量大容易出錯而且沒有必要，所以必須做適當(dāng)簡化。將機(jī)器人中沒有相互運(yùn)動且材質(zhì)相同的構(gòu)件合并成一個部件，然后裝配，經(jīng)過簡單的模型預(yù)處理后，保存為STEP格式，導(dǎo)入ADAMS，然后設(shè)定材料信息，便完成了對物體的定義。

鉸，在多體系統(tǒng)中將物體間的運(yùn)動約束定義為鉸，實(shí)際工程對象中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動副是鉸的物理背景。在該系統(tǒng)中，分別在手爪和手腕、手腕和上臂、上臂和肩部、肩部和大臂、肩部和拉桿、大臂和轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)臺和平衡錘、平衡錘和拉桿、轉(zhuǎn)臺和底座、平衡缸與轉(zhuǎn)臺、平衡缸與大臂之間添加轉(zhuǎn)動副，在平衡缸拉桿與平衡缸缸體之間添加移動副。另外相互固定部件之間的固定副就不一一列出。

外力，多體系統(tǒng)外的物體對系統(tǒng)中的物體的作用力定義為外力 (偶)。在此系統(tǒng)中，外力主要指重力以及自動焊接設(shè)備對機(jī)器人的外載荷。添加重力，并在手爪末端添加外載荷200 N。

力元，在多體系統(tǒng)中物體間的相互作用定義為力元。在此系統(tǒng)中，平衡缸內(nèi)彈簧的力學(xué)模型即為力元。彈簧采用ADAMS內(nèi)置彈簧，直接設(shè)定其相關(guān)參數(shù)即可，如圖3所示。

圖3 彈簧定義窗口

定義好模型后使用model verify命令檢查模型，如圖4所示。定義好后模型共有6個自由度，與實(shí)際模型相符，定義好后的機(jī)器人動力學(xué)模型如圖5所示。

圖4 模型檢查結(jié)果

圖5 多自由度驅(qū)動定義窗口

3 機(jī)器人動力學(xué)仿真

此次仿真模擬機(jī)器人的一種典型工況:機(jī)器人焊接焊縫。在這種工況下，分別對比有無平衡裝置的兩種情況下機(jī)器人的動力學(xué)參數(shù)。

模擬機(jī)器人焊接空間一半圓焊縫，即機(jī)器人末端沿空間半圓軌跡運(yùn)動。要得到各個關(guān)節(jié)軌跡有兩種方法:第一種利用MATLAB工具箱ROBOTICS TOOLBOX建立機(jī)器人的仿真模型，該工具包提供了基于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃函數(shù)，只需要給定機(jī)器人預(yù)期軌跡便可求出各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動數(shù)據(jù);第二種方法可以利用ADAMS的多自由度驅(qū)動，如圖5所示，直接驅(qū)動機(jī)器人末端點(diǎn)按照預(yù)期軌跡運(yùn)動，然后通過測量得到各個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)軌跡數(shù)據(jù)。這種適用于比較簡單的軌跡，在此次采用。然后將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入ADAMS中，并且分別生成Spline曲線函數(shù)，作為各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)。仿真流程見圖6。

圖6 仿真流程圖

對于沒有平衡裝置的情況，只需把平衡錘、平衡缸缸體質(zhì)量設(shè)為0，并去掉缸內(nèi)彈簧，按以上步驟仿真即可。兩種情況末端軌跡以及各軸關(guān)節(jié)軌跡和關(guān)節(jié)角速度、角加速度都是一樣，只是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩不一樣，設(shè)計(jì)的平衡系統(tǒng)對二、三軸影響較大，故主要對比二、三軸轉(zhuǎn)矩。

仿真結(jié)果曲線如圖7—14所示。

圖7 仿真軌跡圖

圖8 各軸關(guān)節(jié)軌跡圖

圖9 各軸關(guān)節(jié)角速度圖

圖10 各軸關(guān)節(jié)角加速度圖

圖11 彈簧提供的平衡力

圖12 一、四、五軸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩

圖13 二、三軸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)

圖14 有無平衡系統(tǒng)二、三軸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩對比

由以上分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn):各軸角速度曲線平滑，角加速度曲線無突變，末端軌跡平滑連續(xù)，說明運(yùn)動平穩(wěn)。同時可以發(fā)現(xiàn)平衡缸彈簧提供了很大的平衡力，在t=3 s時三彈簧平衡力達(dá)4 500 N，有效地降低了對二軸電機(jī)功率需求。

從圖12、圖13力矩曲線可以看出:在仿真過程中力矩?zé)o突變，符合設(shè)計(jì)要求。各個軸二軸轉(zhuǎn)矩比較大，最大轉(zhuǎn)矩1 480 N·m，選用的電機(jī)為安川SGMGV-30A3A6C，額定轉(zhuǎn)矩18.6 N·m，RV減速器減速比100，考慮減速器的功率放大，第二關(guān)節(jié)力矩值在額定范圍內(nèi)。圖14是去掉平衡錘后二、三軸關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩曲線對比圖，可以發(fā)現(xiàn):在同樣工況下，有平衡系統(tǒng)時二軸最大轉(zhuǎn)矩1 480 N·m，而沒有時最大轉(zhuǎn)矩達(dá)到2 275 N·m，沒有平衡系統(tǒng)下三軸轉(zhuǎn)矩是有平衡系統(tǒng)情況下的二倍多，充分證明了平衡系統(tǒng)的平衡作用非常好。同時還可以發(fā)現(xiàn):在兩種情況下，轉(zhuǎn)矩曲線的走勢完全相反，這是因?yàn)槠胶庀到y(tǒng)在越接近最大載荷位置時所提供的平衡力越大，這樣設(shè)計(jì)也更合理，能最大限度地減小二、三軸的功率需求。

4 結(jié)論

借用SolidWorks和ADAMS搭建了弧焊機(jī)器人的動力學(xué)仿真模型，并對其進(jìn)行了動力學(xué)行為分析及模擬，通過ADAMS對機(jī)械手大臂的動力學(xué)仿真，可以校驗(yàn)其相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行編程指導(dǎo)，能夠?qū)C(jī)械手的運(yùn)動誤差進(jìn)行調(diào)試，并可以驗(yàn)證運(yùn)動控制系統(tǒng)的正確性，降低控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度和縮短開發(fā)周期。

通過對機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)等方面的分析，可以判斷其機(jī)械本體設(shè)計(jì)方案的合理性，并得出相關(guān)動力學(xué)參數(shù)，為機(jī)器人的其他相關(guān)控制及研究提供參考和借鑒。還可以通過對機(jī)器人在空間中的所有可能經(jīng)過的路徑進(jìn)行仿真求解，即機(jī)器人無路徑搜索動力學(xué)仿真，求出其最大載荷，并結(jié)合有限元分析校驗(yàn)其機(jī)械動靜強(qiáng)度。還可以結(jié)合MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真，校驗(yàn)其控制系統(tǒng)的合理性。通過對機(jī)器人的虛擬仿真，可以有效地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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Mechanical Design and Dynamic Analysis of Six-DOF Robot

ZHOU Huicheng，REN Zhengjun
(School of Mechanical Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The mechanical structure of the robot was designed according to the design requirements，and the solid model was built using SolidWorks，then the systematic dynamics simulation model was built in ADAMS，on the basis of the robot＇s actual geometrical parameters，physical characteristics and constraint conditions.Through the simulation of space trajectory tracking in the position of maximum load of the robot，the rationality of the design is proved and it provides valuable information for the follow-up research work of optimizing the robot structure and enhancing the control quality.

Six-DOF robot;Mechanical design;Dynamics simulation

TP242

A

1001－3881(2014)9－001－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.001

2013－03－18

國家科技重大專項(xiàng) (2012ZX04001012;2012ZX04001041);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金 (新教師基金課題)(20090142120035)

周會成 (1973—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)。E－mail:zhouhuicheng@mail.hust.edu.cn。