□ 葉 蓓□ 郭子昂□ 趙振平□ 陳元愷□ 梁 欽□ 宋洪偉

1.中國(guó)人民解放軍空軍駐上海地區(qū)軍事代表室 上海 201601

2.上海航空測(cè)控技術(shù)研究所故障診斷與健康管理技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201601

1 研究背景

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，并聯(lián)機(jī)器人以剛度大、承載能力強(qiáng)、誤差小、精度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中［1］，它能滿足大多情況下的工作要求，還可以與其它機(jī)構(gòu)混聯(lián)完成多種工作任務(wù)［2］。但是，并聯(lián)機(jī)器人的工作空間相對(duì)較小，運(yùn)動(dòng)速度較慢，其應(yīng)用受到限制［3］。筆者以某大工作空間快速運(yùn)動(dòng)的六自由度并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)［4-5］、剛體動(dòng)力學(xué)及剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)［6］等工況進(jìn)行研究，在考慮U形鉸鏈柔性的前提下，分析機(jī)器人上平臺(tái)承載能力與機(jī)器人定位精度之間的關(guān)系［7-8］，從而達(dá)到對(duì)位置誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

六自由度并聯(lián)機(jī)器人由六個(gè)分支連接上下平臺(tái)，分支機(jī)構(gòu)主要由虎克鉸鏈、U形鉸鏈和電缸組成。通過(guò)電缸伸縮配合相應(yīng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)，六個(gè)分支聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上平臺(tái)三個(gè)方向的移動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。上平臺(tái)的最大負(fù)載為500 kg，三維模型如圖1所示。

為了分析并聯(lián)機(jī)器人的可靠性，首先需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確保六個(gè)分支協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人上平臺(tái)沿確定的軌跡運(yùn)行。通過(guò)考察各鉸鏈及各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，檢驗(yàn)鉸鏈?zhǔn)欠癜l(fā)生干涉，并考察和評(píng)價(jià)系統(tǒng)的速度和加速度特性，主要研究?jī)?nèi)容有機(jī)構(gòu)的位置、速度、加速度等。

▲圖1 六自由度并聯(lián)機(jī)器人模型

由于三維模型中零件數(shù)量較多，為研究方便，在分析時(shí)將每個(gè)分支上不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零部件進(jìn)行布爾運(yùn)算合并為一體，并刪除螺栓螺母等標(biāo)準(zhǔn)件。

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入ADAMS軟件，定義材料屬性并施加約束。機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí)，電缸伸長(zhǎng)量為0，建立電缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)f：

式中：t為時(shí)間，s；θ 為角度，rad。

依次添加六組電缸驅(qū)動(dòng)參數(shù)，6組電缸對(duì)應(yīng)的θ值為 0.01π、0.02π、0.03π、0.03π、0.02π、0.01π。

設(shè)置仿真時(shí)間為 200 s，仿真步數(shù)為 500，以并聯(lián)機(jī)器人上平臺(tái)中心為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可以得到其位移、速度和加速度變化曲線，如圖2～圖4所示。由曲線可以看出，按電缸驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)后，在并聯(lián)機(jī)器人作為剛體考慮的理想狀態(tài)下，機(jī)器人上平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性。

▲圖2 上平臺(tái)中心位移變化曲線

▲圖3 上平臺(tái)中心速度變化曲線

▲圖4 上平臺(tái)中心加速度變化曲線

3 動(dòng)力學(xué)仿真分析

并聯(lián)機(jī)器人的鉸鏈具有一定程度的柔性［9］，在本體自重、慣性力和載荷等因素作用下，會(huì)產(chǎn)生彈性變形，屬于一種典型的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)。筆者主要考慮U形鉸鏈在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中變形對(duì)上平臺(tái)定位精度的影響。

建立柔性鉸鏈，應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)U形鉸鏈進(jìn)行模態(tài)分析，如圖5所示。定義剛性區(qū)域，并提取一至六階模態(tài)，生成模態(tài)中性文件。將文件導(dǎo)入ADAMS軟件替代原來(lái)的剛性構(gòu)件，得到含有柔性鉸鏈的機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型［10］，如圖 6 所示。

▲圖5 U形鉸鏈模態(tài)

▲圖6 含柔性鉸鏈的機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型

在機(jī)器人上平臺(tái)的中心點(diǎn)施加豎直方向大小為4 900 N的力，設(shè)置仿真步數(shù)為500，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，如圖7所示。由圖7可以看出，每臺(tái)電缸的受力不超過(guò)1 400 N。通過(guò)測(cè)量電缸的驅(qū)動(dòng)力，可以驗(yàn)證電缸選型的合理性，同時(shí)也可以通過(guò)電缸的最大推力，計(jì)算上平臺(tái)能夠承載的最大載荷。

▲圖7 電缸驅(qū)動(dòng)力變化曲線

4 位置誤差分析

剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型仿真得到的上平臺(tái)中心位移變化如圖8所示。

通過(guò)對(duì)比剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ头抡鏁r(shí)上平臺(tái)中心的位移變化情況，可以得到運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因U形鉸鏈變形引起的位置誤差變化曲線，從而確定上平臺(tái)定位準(zhǔn)確性。仿真過(guò)程中設(shè)置負(fù)載分別為100 kg、300 kg、500 kg，得到不同負(fù)載時(shí)機(jī)器人上平臺(tái)位置誤差變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，上平臺(tái)位置誤差隨負(fù)載的增大而增大，但三種負(fù)載對(duì)應(yīng)的誤差變化趨勢(shì)是相同的。

▲圖8 剛?cè)狁詈夏Ｐ蜕掀脚_(tái)中心位移變化曲線

▲圖9 上平臺(tái)位置誤差變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

利用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)六自由度并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到了機(jī)器人上平臺(tái)的位姿和運(yùn)動(dòng)參數(shù)?？紤]U形鉸鏈的柔性，通過(guò)對(duì)比剛體和剛?cè)狁詈夏Ｐ偷膭?dòng)力學(xué)仿真結(jié)果，分析得出了上平臺(tái)承載能力與機(jī)器人定位精度之間的關(guān)系，從而達(dá)到對(duì)位置誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)的目的，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。此外，該類型小尺寸機(jī)器人可以應(yīng)用于機(jī)床加工和醫(yī)療器械等相關(guān)領(lǐng)域。