基于ADAMS的工业机器人大臂关节运动学分析.pdfVIP

基于 AD AMS的工业机器人大臂关节 运动学分析 李 伟 光 ， 刘 建 华 ( 华 南理工 大 学机 械 与 汽 车工程 学院 ， 广 东 广 州 5 1 0 6 4 0 ) Kin e ma t ic An a l y s is f o r I n d u s t r ia l Ro b o t Ar m J o in t Ba s e d o n t h e ADAMS LI W e i g u a n g LI U J ia nh u a ( S ch o o l o f Me ch a n i ca l a n d Au t o mo t i v e E n g i n e e r i n g， S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te ch n o l o g y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 6 4 0， Ch i n a ) 摘要 ： 针对现有工业机 器人 电机 与减速机 选型 的 不合 理 ， 运 用三 维软 件 对机 器人 建立 实体模 型 ， 利 用 AD AMS对 其 大臂 关节 进 行 动 态特 性 分 析 ， 得 到 其 在极 限位 置 的 力矩和 功 率 曲线 。 由曲线 可知 大臂 关 节处 所 需 的 最 大功 率 为 2 8 8 W ， 最 大 扭 矩 为 4 1 7 N m， 现有电机 功率利用率 只有 1 6 。提 出大臂 电机 以及 减 速 器选 型 优 化 方 案 ， 将 电机 功 率 利 用 率 提 高到 6 4 。 关 键词 ： 工业 机 器 人 ； AD AMS ； 运 动学 分 析 ； 动 态 特性 中图分 类号 ： TP 2 4 2 2 ； TH3 9 文 献标 识码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 12 2 5 7 ( 2 0 1 O ) 0 50 0 6 7 0 3 Ab s t r a ct ： To im p r ov e t he unr e a s o na bl e mot or a n d r e du ce r s e l e ct i on o f t h e e xi s t in g in dus t r ia l r o bo t ， t he t hr e e d i m e ns io na l m o de l in g s o f t wa r e a nd t h e a ut o ma t ic d y na mic a n a l ys is o f me cha nica l s y s - t e rns ( ADAMS )a r e u s e d t o a n a l y z e t h e a r m j io n t o f t h e ind us t r ia l r o bo t Th e t o r q ue cur v e a nd po we r cu r v e o f t h e in d u s t r i a l r o b o t a r m j io n t a r e a ch ie v e d whe n t he d yn a m ic cha r a ct e r i s t i c a n a l ys is is do ne o n t he r o bo t S l im i t e d po s i t io ns The cur v e s il l us t r a t e t h a t t h e ma x p o we r n e e d e d o n t h e a r m j io n t is 2 8 8 W a n d t he ma x t o r q u e is 41 7 N m which m e a ns t h a t t h e p o we r u t il iz a t io n is j u s t 1 6 Th e o p t imi z a t io n s ch e me o f t h e s e l e ct io n o f t h e a r m mo t o r a n d r e du ce r is a dv a nce d ba s e d on t he a n a l ys is， a nd t he p o we r u t i l iz a t io n is in cr e a s e d t o 6 4 Ke y wo r d s ： in d u s t r ia 1 r o b o t ADAM S； k i n e ma t 一 收稿 日期 ： 2 0 1 0 一O l一0 7 机械与 电子 2 0 1 0 ( 5 ) ic a na l ys is； d yn a m i c cha r a ct e r is t ic O 引 言 机器 人运 动 过程 中 ， 各关 节之 间相 互运 动 ， 所 以 很 难 精确 获取 各个 关节 承 受 的扭矩 和所 需 的驱 动功 率 ， 以往对 于 电 机 和减 速 器 的选 型 多 为 经 验 法 。经 验 法 在 电机和 减 速器选 型 时候 相对 盲 目和保 守 。现 已普遍采用动力学分析软件来解决这类问题 。机械 系统动力学 自动分析软件 AD AMS是 由美 国 MD I 公 司开发 的虚 拟样 机分 析 软件 ， 它集 建模 、 求 解和 可 视化技术于一体 1 。某型机器人运动 时， 由于大 臂 、 拉 杆 、 小 臂 、 手 腕及 气 爪 的质 心 相 对 大 臂 关 节 的 位置不断变化 ， 导致绕其旋转的转动惯量不断变化 ， 从而影响大臂关节所需承受的扭矩 3 。由于大臂关 节驱动负载较大， 本文结合 AD AMS主要分析此关 节 的运 动学 特性 。 1机 器人 三 维模 型 某 型机 器人 大 臂 、 拉 杆 、 小臂 、 手 腕 及手 爪 绕 大 臂关节转动 ， 其三维模型如图 1所示 。大臂电机连 大 臂 大 臂 图 1 机器人 三维模型 电机 驱 动杆 电机 电机减速器 拉杆 接 大臂 电机减 速器 ， 通过 法 兰 固定 在腰 部支 架上 ， 大 臂关节连接大臂连接块 ， 驱动大臂转动。小臂铰接 在大 臂上 ， 小臂 电机 通 过 小 臂 驱 动杆 以及 拉 杆 驱动 小臂运动 。其中大臂绕其 回转 中心的运动范围为一 1l 6 。 71 。 。 2机 器人 极 限位 置 机器人的极限位置姿势如图 2和图 3所示 。如 图 2所示， 第 1 种极 限位置为后仰姿态 。小臂驱动 杆 与水 平线成 一3 8 。 角 ， 大 、 小 臂 成 5 7 。 角 ， 大 小 臂 均 处于机器人后仰时极 限位置 ， 机器人运动结构部件 的重心在极限位置时距离大臂关节 回转轴线最远。 如 图 3 所 示 ， 第 2种极 限 位置 为 小 臂 水 平 时大 臂 前 伸极 限姿 态 。大 、 小 臂 夹 角 为 1 5 2 。 ， 机 器 人 前 伸 时 ， 机器 人运 动结 构部件 的重心在 极 限位 置时距 离大 臂 关节 回转 轴线最 远 。 图 2 极限位置 1 姿势图 图 3极 限 位 置 2姿 势 图 3 大臂 关节动 态特性 分析 机器人大臂关节驱动大臂、 拉杆 、 小臂 、 手腕 及 手 爪绕 其 中心线 转动 ， 运 动时 ， 需克 服重 力矩 和惯性 力矩 ， 还需要考虑关节处的摩擦力矩等。同时， 由于 6 8 绕其旋转的转动惯量随着机器人运行位姿不同而变 化 ， 所 以 ， 大臂 关节 的动 态 特性 亦 不 同 ， 现 对 机 器人 两个 极 限位置 进行 动态分 析 。在 大臂关 节施加 运 动 激励 S TE P ( TI ME， 0 ， 0 ， 0 3 ， 5 0 D) ， 类 型 选 Ve l o ci t y ， 机器人的其他关节不施加运动激励， 将仿真步数 设 为 2 0 0 。 3 1 极 限位置 1 启 动时 其扭矩 曲线 、 功 率 曲线 机 器人 在极 限位 置 1 开 始运 动时 大臂关 节 的扭 矩变化 曲线如图 4所示 。从图 4可以看 出， 随着机 器人的运动 ， 大臂关节扭矩处于变化之 中。在 0 0 1 5 S 之 间 ， 大 臂关 节扭 矩 从 2 8 2 N m 逐 渐 增 大 到 3 7 0 N m， 扭 矩并 非从 0开 始增 加 ， 是 因为 相关 运动结构部件的重力使大臂关节处有一预载力矩 ， 在 0 1 5 S 时 ， 小 臂驱 动 杆 与水 平 夹 角 为 一3 8 。 ， 大小 臂夹 角为 5 9 。 ； 在 0 1 5 0 3 S之 间 ， 大 臂关 节 扭 矩 从 3 7 0 N m 逐渐 减小 到 2 6 7 N m； 在 0 3 1 5 7 S 之 间 ， 扭 矩 由 2 6 7 N m 逐 渐 减 少 ， 在 1 5 7 S 时 ， 机 器人运 动结 构部件 的重 心落 在 大臂关 节 回转 轴线 上 ， 此时 ， 其 对 大 臂 电机 减 速 器 轴 的 转 矩 为 0 N m； 在 1 5 7 s以后 ， 由于机 器人 运 动 结 构部 件 的重 心 与大 臂关 节 回转 轴 线距 离 逐 渐 增 大 ， 大 臂关 节 承受 的扭 矩也 逐渐增 大 ， 在 2 0 S 变化 到 1 0 9 N m。 机器 人 在极 限位置 1启 动 时 ， 大 臂关 节 的 功率 曲线 如 图 5所示 。 t s t i 毫 图 4 极 限位置 1 启 动时 图 5 极限位置 1启动时大 大臂关节扭矩曲线 臂关节所需功率 曲线 从 图 5中可 以看 出 ， 在 0 0 2 5 S 之 间 ， 大 臂关 节所 需功 率从 0逐渐 增加 到 2 6 0 W ； 在 0 2 5 O 3 S 之 间 ， 大臂 关节 所需 功率 又逐 渐 减小 ， 在 0 3 S时减 小到 2 3 3 W； 在 0 3 1 5 7 S ， 大臂 关节所需功率从 2 3 3 W 逐渐 减小 到 0 ， 在 1 5 7 S 时 ， 小臂 驱动杆 与水 平夹 角为 一3 8 。 ， 大 小臂 夹角 为 1 2 8 。 ， 此 时 ， 机器 人运 动结 构部 件 的重心 落 在 大 臂关 节 回转 轴 线上 ， 所需 功率 为 0 W ； 在 1 5 7 - 2 0 S ， 大臂 关 节 所 需 功 率从 0反 向增加 到 9 5 W 。 3 2极 限位 置 2启 动 时其扭 矩 曲线 、 功 率 曲线 机器 人在 极 限位 置 2开始 运动 时大 臂关节 的扭 机 械 与 电子 ) 2 0 1 0 ( 5 ) 矩变 化 曲线 如 图 6所 示 。从 图 6可 以看 出 ， 在 0 0 1 5 S之 间 ， 大 臂关 节 扭矩 从 3 1 2 N m 逐 渐 增 大 到 4 1 7 N m， 扭 矩并 非 从 0开始 增 加 ， 是 因为 相关 运动结构部件的重力使大臂关节处有一预载力矩 ， 在 0 1 5 S时 ， 小 臂驱 动杆水 平 ， 大小 臂 夹 角为 1 5 0 。 ； 在 0 1 5 O 3 S 之 间 ， 大 臂关 节扭 矩从 4 1 7 N m 逐 渐 减 小到 2 8 8 N m； 在 0 3 1 3 9 S之 间 ， 扭 矩 由 2 8 8 N m逐渐减少， 在 1 3 9 S ， 机器人运动结构部 件的重心落在大臂关节回转轴线上， 此时 ， 其对大臂 关 节 的转矩 为 0 ； 在 1 3 9 S以后 ， 由于 机器 人运 动结 构部件的重心与大臂关 节回转轴线距离逐渐增大， 大 臂关节 所 承受 的扭 矩 也 逐 渐 增 大 ， 在 2 0 S ， 变 化 到 1 8 0 N m。 机器人在极限位置 2 启动时大臂关节功率曲线 如 图 7 所 示 。从 图 7可 以看 出 ， 在 0 0 2 5 S之 间 ， 大 臂关节 所需 功率 从 0逐 渐增 加 到 2 8 8 W ； 在 0 2 5 0 3 S之 间， 大臂 关节所 需功 率又 逐渐减 小， 在 0 3 S 时 减小 到 2 5 2 W ； 在 0 3 1 3 9 S ， 大臂关 节 所 需 功 率从 2 5 2 W 逐 渐 减 小 到 0 ， 在 1 3 9 S时 ， 小 臂 驱 动 杆水平 ， 大 小 臂 夹 角 为 9 0 ， 此 时 ， 机 器 人 运 动 结构部件的重心落在大臂关节 回转轴线上 ， 所需功 率 为 0 W ； 在 1 3 9 2 0 s ， 大臂关 节所 需 功率从 0反 向增加 到 1 5 6 W 。 4 5 0 0 4 0 0 0 3 50 0 3 0 0 0 主 5 0 00 0 0 _5 0 8 5 0 0 0 0 0 t s t 7 s 图 6 极 限位置 2 启 动时 图 7 极 限位 置 2启动时大 大臂关节扭矩 曲线 臂关节所 需功率 曲线 3 3 大 臂 电机 、 减 速器选 型 分析 工业 机 器人 大臂 电机 以及 大臂 电 机减速 器 的参 数 如表 1所示 ， 由表可 知 ， 电机 经过 减 速器后 能 产生 的额定扭矩为 4 6 0 N m， 瞬时扭矩可达到 1 1 4 8 N m。而由 AD AMS仿真结果 可知 ， 机器人 大臂关 节承受 的 最 大 扭 矩 为 4 1 7 N m， 最 大 功 率 为 2 8 8 w ， 对 于 该关 节 的运动 ， 大 臂 电机提 供 了足够 的 扭矩 和功率 。 表 1 大 臂电机 、 大臂 电机减 速器参数表 大臂 电机减速 器 大臂 电机 机械与 电子 ) 2 0 1 0 ( 5 ) 由电机拖动负载和 电机额定功率可知， 电机功 率 利 用率 ： 一 麓一 - 1 e 由此可知 ， 大臂 电机的功率没有得到充分的利 用 ， 大 臂 电机 以及 大臂 电机 减 速 器 的选 型 仍 需要 改 进 ， 使得在其提供足够扭矩的基础上 ， 其功率得到充 分利 用 。 3 4 大 臂 电机 、 减 速器 选型优 化 根据 目前大臂 电机功率利用率偏低 的情况， 提 出优 化方