基于ADAMS的禽蛋吸运机械手仿真与分析.pdf

基于A D A M S的禽蛋吸运机械手仿真与分析 S i mu l a ti o n a n d a n a l y s i s o f g ra d i n g ro b o t fo r e g g s s u cti o n a n d tra n s p o rta ti o n b a s e d o n A 队M S 张兴国 Z H A N G X i ng g uo 南通大学 机械工程学院 南通 226019 摘要 在简要介绍禽蛋吸运机械手结构基础上 完成了连杆坐标系建立 运动学问题分析等工作 结合机械手参数 在ADA M S中构建机械手三维模型 并实现机械手的运行过程仿真 得到相 关位移 速度 力矩等信息和工作状态 经与理论值对比分析 以验证机械手臂设计的正确 性 及时发现不足之处予以改正 也为后续运动控制及机器人路径规划提供模型 关键词 吸运机械手 禽蛋分级 坐标系 运动学方程 A DAM S 仿真与分析 中图分类号 TP 242 文献标识码 A 文章编号 1 009 01 34 2014 05 下 01 23 05 D o 10 3969 J i ssn 1009 0134 201 4 05 下 35 0引言 结合我 国禽 蛋生产企业分布广 规模小 等现 状 笔者设计完成一种 占地面积小 适合于 中小 型禽蛋企业 的禽蛋分拣 系统 并就其 中的禽蛋吸 运分级机 械手于本刊 见文献 1 发表相关研 究 成果 为 了确保机械手工作 的安全性 稳定性 优化其轨迹规划 基于A D A M S对该机械手进行了 仿真分析研究 1禽蛋吸运分级机械手简介 禽 蛋吸 运机械 手采 用关节 式结构 图1为其 示意 图 设计 有5个 自由度 分别为 2个肩关节 J1 J2 1个肘关节 J3 和2个腕关节 J4 J5 1 31 表1为设计参数 图 1禽 蛋吸运机械手 2禽蛋吸运机械手运动学分析 采用工业机器人分析 中常用的D H 法建立禽蛋 吸运机械手的连杆坐标 系 如图2所示 表2为 各关节的转角 扭角等参数 表1 禽蛋吸运机械手设计参数 项 目 规 格 自由度 5 结构 直立 关节 式 驱动 系统 交流伺服 系统 J1到J5 位置检测方式 独立编码器 手 肩关节 0 臂 大臂 380m m 长 小臂 290m m 度 手腕长度 130m m 最 J1 300 一 150o一 1500 180 0 S 工 大 J2 180 一 60 一 120 90 o S 作 及 移 J3 230 一 110 120 135 o S 范 动 围 速 J4 180 一 91P 90o 180 o S 度 J5 400 一 200 一 200o 210 0 S 最 大值 2kg 载荷 额定值 1 5kg 重复定位精度 0 08 i nl n 最大工作范 围 670 m m 图2禽蛋吸运机械手关节坐标系 收稿日期 2014 01 24 基金项目 江苏省 自然科学基金面上项 目 B K 2013 1205 作者简介 张兴国 1975一 男 江苏沭阳人 副教授 硕士 主要从事光机电 体化及机器人技术方面的教学和科研工作 第36卷第5期2014 05 下 123 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 表2 禽蛋吸运分级机械手杆件参数和关节变量 参数 0 i d i 口f 杆件i l 0 l 0 0 90 2 0 2 0 a 2 1 0 3 0 3 O a 3 2 0 4 0 4 0 0 90 5 0 5 0 0 0 2 1 运动学正问题 通过齐次变换推导 出其运动学方程 即 oT 4T n x o x a x p x l q y 0 y a y P y na 0 z a z P z O O 0 l 1 式 1 中 Ci C2 C3C4C5一S3S4c 5 一 C1S2 3C4C5 C3S4C5 SIS5 1 1 v Sl C2 c 3C4C5一 3S4C5 一 SIS2 3C4C5 C3S4C5 一 ClS5 nz 一 s2 c 3C4C5一 3S4c 5 一C2 3C4C5 C3S4C5 0 C1C2 3S4S5一C3C4S5 C1S2 3C4S5 C3S4 5 SIC5 0v S1C2 3S4S5一C3C4S5 S1S2 3C4S5 C3S4S5 一CIC5 0z 一 S2 3S4S5一C3C4S5 C2 3C4 5 C3S4S5 ax c l c 2 c 3 4一 3C4 CIS2 3 4一C3C4 a v SIC2 一 C3S4一 3C4 1S2 3S4一 C3C4 a 2 c 3S4 3C4 C2 3 4一C3C4 P x CIC 2a 3c 3 一Cl S2a s a 2c l c 2 p v s1c 2a 3c 3 一sI 2a 3s3 a 2s1c 2 P z 2 3C3 一C2U 3S3 一 2 2 将 0 1 0 o2 0 0 3 0 05 0o 初 始 位 置 值 代 入 式 1 式 n 1 n v 0 n 0 O 0 O 0 a 0 a 0 a 一 1 P P 0 P 0 完全符合初始状态 2 2 运动学逆问题 04 0 中 可 得 0 v 一1 2 a 3 1 求0 1与0 2 由 T l 0 一 1 将各量代入 求解可得 01 o tan 一 p 2p p l l 2P 一1 2 2p 一 P m n p 2 P Px一 12ZP 一p m n 02 a tan 一 p 2L fl2f22一 2p fl 2 一 U 2 1241 第36卷第5期2014 05 下 其 中 m P 一 一 4l l 2 2 2 p bi 一P 一P 2 求0 根据 T T 代入换算 求解可得 03 一 arc si n si n 0l e2 一c os 01 02 ax 3 求e 和05 因为 T T 各量代入 得 0 4 0c tan c os 0l e 2 e3 口 一si n 0 l e2 0 3 a l a 0 05 arc os oy 一 04 3基于A D A M S 的禽蛋吸运机械手三 维建模 A D A M S 是 以计算 多体 动力 学为基 础 包含 多个专业模块和领域的虚拟样机开 发系统软件 可 以建 立 复杂 的运动 学 和动 力学模 型 包 括 刚 性 柔性 以及刚柔混合 在产品的设计阶段用 A D A M S进行辅助分析 可以在制作样机前对产品 进行各种性能测试 大大降低研发成本 缩短开 发周期 3 1 A D A M S 建模的主要流程 对禽 蛋吸运机械 手的建模及分 析 只用到 了 A D A M S 的通用分析部分 主要包括实体模型建 立 运动 副添加 工作过程 中阻尼的添加和驱动 的选取 最 后通过一 系列运动学和动力学数据 的 输 出来判 断虚拟样机的工作状况 作为检测标准 的重要参考 具体的主要设计流程如图3所示 图3 运用A D A M S设计流程 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l 匐 似 3 2 基于A D A M S 的机械手建模 3 2 1 三维模型建立 图4 A D A M S中禽蛋吸运机械手三维模型 A D A M S V i ew 中可 以直接 创建 没有 质量信 息 的构造体 例如起辅助 作用 的点 线 坐标系 等 同时也 可 以构 建有 质 量信 息 的具 体 几何 实 体 虽然其他三 维造 型软件 IISol i dW orks Proe 等拥有强大 的建模功能 也可 用通 用格式 导入到 A D A M S 但是 由于受到通用性的限制 且经过实 践操证实导入操作得到 的模型经常会 出现位置 精度和尺寸变化不同等错误 所 以采用 了A D A M S 的内部 自带工具进行菜单建模 机 械 手 主要 包 括 底座 旋 转 台 大臂 小 臂 手腕 由上述机械手 运动 学分析 的结果为基 础 构建机械 手对 象 机 械手可以视 为连杆通过 关节组合而 来 相邻杆件 问的转动或移 动可以通 过矩阵变换加以描述 图4 为在A D A M S中所建的 机械手三维模型 3 2 2 机械手刚体参数信息 A D A M S提供 了丰富的建模工具集及各种布尔 操 作 并且 可以对模型进行参数化修改 构建的 编辑信 息主 要包括外观 质量 初始位置和运动 速度 等 表3中是分析得到的主要构件的质量和转动惯 量 等信 息 查阅大臂和小臂的相关信息 进行初 步检 查 以确保材料 初始位置等相关参数设置 的合理性和正确性 表3 机械手的主要部件质量和转动惯量 名称 质量 IX X IY Y IZ Z 底座 367 5 1 57E 007 1 18E 007 6 20E 007 转动 l 10 5 1 32E 006 1 19E 006 8 45E 006 支架 大臂 74 8 3 50E 006 2 96E 006 1 09E 006 小臂 42 7 9 49E 005 7 85E 005 4 13E 005 手腕 12 8 8 33E 004 6 37E 004 5 02E 004 3 2 3 约束和驱动等相关设置 该禽蛋吸运机械手拥有5个转动 的自由度 底 座固定于操作台上进行工作 机械手只有5个转动 副可以运动 其 中底座与转动支架相连构成的转 动副 的轴线 与水平面垂直 手腕与吸附机构的组 成的转动副轴线方 向是变动的 其他三个转动副 都是与水平线平行 1 驱动 的添加 机械手的5个关节 各有一个 转动副 都 由不 同型号 电机作为驱动 进行运动 的仿真时驱动 的添加是首要环节 也是保证机械 运动符合预期要求 的关键步骤 具体 的各个关节 定义如表4所示 表4 各转动关节定义 本文通过各个关节的轨迹数据在A D A M S 中生 成关节转角的样条曲线 将曲线参数通过C U B SPL 引用样条 曲线 函数 添加至相应的关节位置作为 驱动 其采用的是标准的三次样条差值来计算 所 以得到的结果更容易收敛 此处仿真的运动轨 迹模拟了一次完整的从禽蛋吸取到放置的过程 2 角度范围传感器的添加 根据表1中的各 个关节可 以活动的范围 为保证机械手臂在运动 过程 中不会超过预定的角度 要对 各关节转角添 加角度传感器 添加的角度传感器可测量关节的 转动角度 并当运动角度达 到预定值时 转动副 运动将会受限 且暂时停止 仿真 从而避免仿真 失真及后期的规划错误 底座旋转支架和手腕部分 的吸附机构旋转 可不进行限制 所以此处只添加3个角度传感器 分别是大臂关 节转角 小臂 的关节转角和手腕位 置的关节转角 具体信息如表5所示 表5传感器角度设置 3 关节 阻尼的添加 机械手在运动过程 中会 产 生各种摩擦 所 以在 完成运动副的设 置以后 要在关节处添加摩擦 以确保仿真的可靠性 综合 第36卷第5期2014 05 下 1251 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务l 匐 似 其 他类似设计经验 此处各个关节设计 的最大静 摩擦 系数为0 5 并用同样的方法添加其他位置 的 摩擦力 4 检验样机模型 完成上述步骤 后 开始分 析 前还要对构件的虚拟样机进行最后 的检验 来 排除 其 中可能存在的一些错误 例如连接约束不 当 装配错误 构 件未添加质量信息等 保证仿 真的顺利进行 4基于A DA M S 的机械手仿真与分析 机器人的轨迹 规划 是研 究末端执行器工作过 程中在空间 内所经历 的连续轨迹变化状 态 主要 从 两个角度讨论 一是研究末端位置 的空 间直 角 坐标变换 另一种是研究关节转角 的变换情况 这里主要讨论 的是后一种情况 4 1 A DA M S 的机械手仿真与分析 在已经建立好的A D A M S机械手三维模型基础 上 完成相关仿真参数设置 然后将关节转角参 数导入至各个对应的关节进行驱动 的设置 以实 现机 械 手的 正运 动学 与 动力 学分 析 Prostproc ess作为A D A M S 的后处理模块 不仅 可输 出质量 尺寸和受力等静态信 息 同时也可 显示仿真 动画 并输 出速度 加速度 坐标轨迹 和力矩 等结 果 以方便 于将仿真 结果与理论计 算 进行对照和验证 图5为机械手运动过程仿真图 图6 图11为机械手的部分仿真分析结果 图5 A D A M S 内机 械手运动过程仿真 三 二 三三 lj t u 5 图6 末端执行器 吸盘 的坐标 变化 曲线 11261 第36卷第5期2014 05 下 一 l i 一 l l j 一ll 一 图7 末端执行器 吸盘 的速度变化曲线 由图6和图7中可见 末端轨迹在三个坐标上的 变化都 比较平稳 没有出现较大的波动和震荡 并 且末端在各坐标上的速度分量也变化缓慢 符合吸 附装置在运送蛋的过程中对速度的要求 不会使得 禽蛋因为振动而坠落 整体符合要求 图8 各关 节转 角变化 曲线 而对于图8中的各关节转 角变化曲线 可见其 变化规律与驱动的添加规律相符合 说明机械手 各关节的转动都在相应 角度传感器的范围以内 没有超出角度要求 符合设计要求 否则会出现 检测的结果角度与添加不同的仿真报警 图9大臂 电机转矩变化 曲线 图9为机械手大臂电机转矩变化曲线 可见大 臂驱动力矩 由大变小 最大值约为530N m 小于 结构设计 中电机选型时理论最大值 大臂转矩从 大至小变化 是 由于大臂初始位置 与水平方向夹 角小接近平行 此时大臂受到小臂和末端负载的 负载力矩大 当机臂吸 附起禽 蛋后 手臂向上抬 起过程中 大臂与水平 方向夹 角增大 夹角增大 使得小臂对大臂与机 身连接处 的作用力臂减小 因而力矩减少 n一 图1O 小臂电机转矩变化曲线 下转第153页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 务I 匐 似 从 以上计算可知 失稳临界压力P 16888N 大 大高于荷载设计值S 5839N K 2 8 9 安全系数很大 所以支腿不会失稳 3 4浮顶的浮力分析 浮顶 自重G 20810 082K G 浮箱总面积S 1227m 介质密度 以700kg m 计且按G B 5034 1 2003规 范规定计算浮箱浮力 浮顶浮力自重比 墨 一0 7 x 5 0 x 12 2 7 2 0 6 G 20810 0 82 计算显示符合G B 5034 1 2003要求 4结束语 内浮盘的使用 目的是减 少油液在储存过程 中 油汽 的挥发耗损 节约能源 降低安全隐患和减 少环境污染 同时 内浮顶能适应各种尺寸的对接 罐和搭接罐 并且它本身不污染油 品或化学 品 能减少介质的挥发失 防止空气污染 是一种节 能环保的装置 具 有成本低 安装工期短 耐腐 蚀性强 不 占容积 和使 用寿命长等特点 具 有很 好的市场 该产品已设计 制造并在海南安装使 用 根据现场情 况该项 目产 品整体强度以及浮力 都达到预期效果 内浮盘运行 良好 该设计产品 已 申请专 利保护 并且该项 目获得湖南省科技型 中小企业科技创新基金资助项 目 参考文献 1 焦 均坚 张永杰 内浮顶 在石化工 业 中的应用 J 企业技 术开发2003 1 2 2 刘 明 福 拱 顶 储罐 内浮 顶 的发 展 J 石 油化 工设 备 2004 33 1 43 47 3 湛卢炳 孙晋坡 陈再康 大型储罐设计 M 拱顶罐改内浮 顶罐结构设计 IvI 上海 上海科学技术出版社 1986 190 4 SH 3046 92 石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规 范 S 51 A P I标准650 2008钢制焊接储油罐IS 61 A P I650 钢制焊接石油储罐 附录H 部分 第1l 版 7 7 S Y J1016 82立式圆筒形钢制焊接油罐设计技术规范 S 蠡 矗 矗 童I 蠡 如 矗 童 岛 矗 矗 童 蠡 蠡 j 童 出 矗 蠢 蠡 童 矗 蠡 矗 蠢 上接第126页 图11手腕电机转矩变化 曲线 小臂在仿真过程的驱动力矩变化规律与大臂相 似 具体如图l OCi 示 从图中可知最大值为134N m 也小于小臂电机理论最大值 符合预期要求 图l 1中 手腕驱动关节的最大力矩约为14 8N m 略大于电机选型时的计算值14 4N m 此关节的电机选 型基本满足 5结束语 在 简要介绍禽蛋吸运机械手 结构基 础上 完 成 了连杆坐标 系建 立 运 动学问题分析 等