劉佩森 靳杏子 鄭翔鵬 朱迪

摘要：為了提升工業(yè)機器人工作效率和運動性能，以6自由度工業(yè)機器人為研究對象，選用拉格朗日力學分析法進行動力學仿真。使用三維設計軟件SolidWorks對其進行結構建模，并通過接口導入ADMAS仿真軟件中，運用動力學方程，并添加驅動，最終獲得重要組件的特性曲線圖，完成動力學仿真過程。

關鍵詞：工業(yè)機器人;動力學仿真;虛擬樣機建模;拉格朗日力學分析法

中圖分類號：TH1132文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）04-0010-04

根據美國國家標準局（NBS）和國際標準化組織（ISO）的定義，工業(yè)機器人是指面向工業(yè)領域的多關節(jié)和多自由度的擬人操作臂，是具有編程能力并在自動控制下實現預期功能的機械裝置[1]。其典型應用包括抓取、焊接、搬運、配送、涂膠、噴涂、打磨、裝配、檢測和感知等[2]。工業(yè)機器人是國家的高科技水平、制造業(yè)先進能力和綜合國力的標志之一[3]。工業(yè)機器人操作臂的主要類型包括笛卡爾型、關節(jié)型、SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm，平面關節(jié)型）、球面坐標型、圓柱面坐標型和并聯結構型等。其中關節(jié)型操作臂的所有關節(jié)全部可以旋轉，具有結構緊湊，空間施展范圍大等優(yōu)點，應用最為廣泛。但是關節(jié)型操作臂是復雜的動力學系統(tǒng)，其多個輸入與輸出之間的耦合關系存在復雜的動力學求解問題[4]。

工業(yè)機器人的結構設計較為成熟，而技術難點集中在動力學研究。動力學研究是為了優(yōu)化結構設計，修正運動控制過程，提高實時控制能力，進而達到運動學的最優(yōu)化控制，改善系統(tǒng)運動性能[5]。動力學分析方法主要有拉格朗日法[6]、凱恩法、牛頓歐拉法[7]、高斯方法、旋量法等。動力學研究主要借助計算機軟件進行動力學仿真，常用的動力學仿真軟件包括ADAMS、DADS、RecurDyn和Simpack等。其中，ADAMS軟件以其友好的界面和強大的功能，成為使用廣泛的多體系統(tǒng)仿真分析軟件[8]。基于上述研究背景和基礎，本文選取6自由度關節(jié)型工業(yè)機器人為研究對象，建立三維結構模型并導入ADMAS軟件中進行仿真，進而提升工作效率和運動性能。

1三維結構建模

雖然關節(jié)型工業(yè)機器人生產廠商不同，外形迥異，但其基本結構相似。關節(jié)型工業(yè)機器人結構實質上是一個擬人手臂的空間開鏈式機構，其一端固定在基座上，另一端可自由轉動。參照人體的結構，關節(jié)型工業(yè)機器人通常由基座、腰部、大臂、肘部、小臂和手腕等6部分組成。本文選取我校實驗室現有的ABB公司生產的關節(jié)型工業(yè)機器人IRB6640為研究對象。該工業(yè)機器人具有6個自由度，即3個轉動自由度和3個移動自由度，其結構原理簡圖如圖1所示。

IRB6640工業(yè)機器人擁有6個關節(jié)，并且均為轉動關節(jié)，第1、4、6關節(jié)做回轉運動，第2、3、5關節(jié)做俯仰運動。機器人后三關節(jié)軸線相交與一點，是腕關節(jié)的原點，前三個關節(jié)確定腕關節(jié)原點的位置，后三個關節(jié)確定末端的執(zhí)行器的姿態(tài)。第6關節(jié)預留適配接口，可以安裝不同的工具（如機械手、吸盤）等。

工業(yè)機器人三維結構建模的關鍵在于形狀和尺寸的確定，本文依據ABB工業(yè)機器人官方資料，結合對IRB6640工業(yè)機器人測繪來獲取形狀和尺寸參數。三維建模選用SolidWorks軟件，其建模步驟包括各零件草圖繪制、各零件特征實體建模以及根據裝配關系進行各零件裝配。IRB6640工業(yè)機器人在腰部和肘部各有一個減速器，但兩個減速器 作用不同，腰部的減速器是為了增加剛性和扭矩的要求，而肘部的減速器是為了滿足快速響應性和提高精度的要求。利用SolidWorks軟件建立的工業(yè)機器人三維結構模型圖，如圖2所示。

2ADAMS仿真分析

21三維模型導入

ADAMS軟件是虛擬樣機開發(fā)系統(tǒng)軟件，以多體系統(tǒng)動力學計算與求解為理論基礎。利用ADAMS軟件可以建立復雜機械剛性體、柔性體以及剛柔混合體的運動學和動力學模型。ADAMS軟件集建模、計算和后處理于一身，包含多個基本模塊和專業(yè)模塊。其基本模塊是View模塊和PostProcessor模塊，大多數機械系統(tǒng)都可以使用這兩個模塊來完成動力學仿真。但是利用ADAMS軟件自身來建立三維結構模型效率較低，難以對復雜的機械結構進行建模[9]，因此使用SolidWorks進行三維建模，并導入ADAMS軟件進行動力學仿真，具體導入方法為：

1）為了保證三維模型導入ADAMS軟件后出現在理想的位置，在SolidWorks軟件建模時，需要將原點與基面的中心點重合。

2）將SolidWorks中建立的三維模型保存為Parasolid格式，并在ADAMS軟件中導入該文件。

3）需要注意的是，對于復雜結構模型的導入，為了便于以后對各組件之間添加驅動，建議復制多個“x_t”輸出文件。

4）導入ADAMS軟件中三維模型，其彼此之間的裝配關系已經丟失，需要重新添加屬性。各個零部件的參數（材料和質量）在導入過程中不會改變，如果沒有在SolidWorks軟件中定義零部件參數的，需要在ADAMS軟件中編輯。

通過以上步驟，從SolidWorks軟件導入工業(yè)機器人的三維模型圖，導入ADAMS軟件圖，如圖3所示。

22動力學方程

動力學方程是進行動力學分析的數學基礎，是實現動力學仿真的理論依據，也是ADAMS軟件添加驅動與運動仿真的關鍵，直接影響仿真分析的結果。在多種動力學方程中，拉格朗日力學分析法是經典的分析方法之一，是以坐標轉換和能量守恒定律為支撐，主要針對做功的關節(jié)和有相互作用的載荷，是研究機器人動力學的重要途徑。

工業(yè)機器人的動態(tài)性能與其質量分布、結構形式、傳動方式、執(zhí)行機構的種類等多個因素有關。機器人動態(tài)性能由動力學方程描述，主要解決正問題和逆問題兩類問題。動力學正問題是根據關節(jié)驅動力矩或力，推算機器人的運動狀況。動力學逆問題是已知運動軌跡對應的關節(jié)位移、速度和加速度，求出所需要的關節(jié)力矩和力。本文主要解決6自由度工業(yè)機器人動力學正問題。

23添加驅動

完成三維模型的導入和確定動力學方程后，需要對各個關節(jié)之間設置運動關系，通過添加驅動來實現。在ADAMS/View環(huán)境中，模型之間的相互運動是靠運動副來實現的。ADAMS中提供了旋轉副、移動副、球型副、固定副、萬向副、螺旋副、平面副、恒速副、關聯副、齒輪副和圓柱副等常用的運動副約束。

要使導入的工業(yè)機器人模型能夠正常的運動起來，需要在其各個組件上添加運動副與驅動。其中基座與腰回轉關節(jié)，腰回轉關節(jié)與大臂，大臂與腕回轉關節(jié)，腕回轉關節(jié)與小臂之間使用旋轉副連接，小臂與機械手之間用移動副連接，其余都用固定副連接。建立運動副后，對相應的旋轉副和移動副添加驅動，包括驅動力、力矩等。添加運動副與驅動后的模型圖，如圖4所示。

24ADAMS仿真后處理

在仿真計算后，就可以得到運動副上的位移、速度、加速度、作用力和力矩等數據，并生成各種數據曲線。要使用ADAMS進行虛擬樣機仿真，就要找到運動和力學問題，其中重要的途徑就是分析數據曲線。通過數據曲線來分析虛擬樣機的性能，就需要使用后處理模塊。通常使用ADAMS/ Postprocessor后處理模塊，主要完成繪制曲線、播放動畫、制作報告等工作。由于工業(yè)機器人的組件較多，本文主要對重要組件腰部、大臂、肘部和小臂在運動仿真過程中采用不同的參數進行分析。

對腰部采用加速度參數進行分析，其在X軸方向的加速度曲線，如圖5所示，與Y軸方向的加速度曲線，如圖6所示。

對大臂采用速度參數進行分析，其在X軸方向的速度曲線，如圖7所示，與Y軸方向的速度曲線，如圖8所示。

對肘部采用位移參數進行分析，其在后處理中X軸方向的位移曲線，如圖9所示，與Y軸方向的位移曲線，如圖10所示。

對小臂采用力矩參數進行分析，其在有重力情況下的力矩曲線，如圖11所示，無重力情況下的力矩曲線，如圖12所示。

從重要組件的不同的參數曲線可以看出，腰部加速度曲線、大臂速度曲線和肘部位移曲線均為連續(xù)平滑過渡，未出現“尖點”，未超出允許的最大值，這說明該工業(yè)機器人結構設計合理，運動學性能良好，運動過程中過渡平緩，沖擊較少。從小臂的力矩曲線可以看出，重力對力矩曲線影響較為明顯，并且小臂關節(jié)軸的力矩隨時間變化情況十分復雜，雖然小臂的力矩值變化劇烈，但是力矩值

并不大，未見明顯的規(guī)律，這主要是因為小臂處于工業(yè)機器人末端，受較多因素影響和疊加。力矩曲線可為驅動設計中的電動機選型提供參考依據，對于工業(yè)機器人的機械系統(tǒng)性能和可靠性有著重要意義。

3結語

工業(yè)機器人的應用日益廣泛，已成為各國研究和發(fā)展的重點，其中機器人動力學的研究即是重點也是難點。本文選取ABB公司生產的6自由度IRB6640工業(yè)機器人為研究對象，獲取其形狀和尺寸參數，利用Solidworks軟件建立工業(yè)機器人的三維結構模型，并重點介紹了利用ADAMS軟件進行動力學仿真的過程，包括三維模型導入、動力學方程、添加驅動和ADAMS仿真后處理。通過ADAMS軟件仿真，建立了虛擬樣機，可以對工業(yè)機器人的結構優(yōu)化，進而優(yōu)化控制，以改善工業(yè)機器人的運動性能。

參考文獻：

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