ADAMS在弧焊机器人运动学中的仿真分析和应用

第21卷第12期2004年12月机 械 设 计JO UR NAL OF M ACHIN E DESIGNVol.21 N o.12Dec. 2004ADAM S在弧焊机器人运动学中的仿真分析和应用沈红芳1,郑建荣2(1.上海电机技术高等专科学校机械系,上海 200240; 2.华东理工大学机械学院,上海 200237)摘要:弧焊机器人的操作臂可以看成是一个含局部闭链结构的开式运动链,采用Denav it-Hartenberg方法建立弧焊机器人的坐标系,建立操作臂的运动学方程。

用A DA M S软件测量输出及仿真分析功能对机器人运动学正、逆问题进行分析和研究。

关键词:逆运动学;A DAM S;仿真分析中图分类号:T H165 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2004)12-0050-03这里讨论的机器人是一个6自由度的关节坐标型弧焊机器人,用于电梯链轮主轴颈与轮毂的焊接。

由9大构件和9个关节组成。

9大构件分别为基座(构件0)、腰(构件1)、下臂(构件2)、上臂(杆4 )、手腕(翻滚,构件7)、手腕(摆动,构件8)、手腕(俯仰构件9)、曲轴2 和拉杆3 ;9个关节则指上述各构件间的转动连接,关节变量分别为 1, 2, 3, 4, 5, 6, 2 , 3 , 4 。

1 弧焊机器人坐标系的建立用基于D-H方法建立了弧焊机器人中各构件坐标系,连基坐标在内,共有10个坐标系,如图1所示。

弧焊机器人的操作臂可以看成是一个含局部闭链结构的开式运动链。

它是由一系列连杆通过转动关节连接而成,其一端固定在基座上,另一端安装着末端执行器(焊枪),用以完成焊接作业。

关节由驱动器驱动,关节的相对运动导致连杆的运动,使手爪到达所需的位姿。

2 运动学方程利用机器人手爪位姿的描述方法,可以用位置矢量0P6o表示弧焊机器人末端手腕的位置,用旋转矩阵06R表示末端手腕的方位。

于是得到机器人手的末端相对于参考坐标系的变换60A: 6A=6R0P6o0001=n x o x a x p xn y o y a y p yn z o z a z p z0001(1)式(1)即为弧焊机器人的运动学方程,它表示了机器人末端手腕的位姿与6个主关节变量之间的关系。

若已知弧焊机器人6轴转角 1, 2, 3, 4, 5和 6,由运动方程式(1),可计算出手臂变换矩阵60A的各个元素。

图1 弧焊机器人坐标系(1)虚拟样机的动力学仿真显示,与渐开线齿轮传动一样,长幅外摆线圆弧齿传动重合度小于2,单齿啮合区大,此时的啮合作用力较大。

应该设法从齿形替代与增齿两种途径入手,扩大双齿啮合区,以改善轮齿受力状况。

(2)运用A DA M S动力学仿真分析软件与U G,Pro/E, Solidwor ks相结合,建立起长幅外摆线行星传动的仿真分析模型是有效的。

所提供的仿真平台为物理样机的设计和制造提供了有价值的理论依据。

参考文献[1] Edw ard V Sundt.摆线齿轮减速机[P].美国:3037400,1962,6[2] 大池洋三,芹川孝夫.高性能圆弧齿形冕轮减速器[J].机械设计(日),1976(1):113-117.[3] 王厚宽,裘建新.链条少齿差行星减速器[P].实用新型专利:87208342,1987,5.[4] 王厚宽,裘建新.K-H-V链条圆弧齿行星传动[J].机械设计,1989,9(4):11-16.[5] 王厚宽,王卫荣.链条少齿差行星减速机的研究及其CAD[J].机械工程学报,1994,30(4):76-82.[6] 石永刚.多圆弧针轮行星传动[J].机械工程学报,1996,32(2):25-33.[7] 李伟,等.行星摆线针轮减速器虚拟样机模型的建立[J].中国农业大学学报,2002,7(6):61-63.收稿日期:2004-03-26;修订日期:2004-07-01作者简介:沈红芳(1972-),女,江苏兴化人,工学硕士,讲师,专业方向:弧焊机器人虚拟样机设计与研究及机电一体化技术。

实际上,也可以用RP Y角法来描述机器人手末端的方位。

设定机器人手末端坐标系{6}最初与基坐标系{0}重合,然后将{6}相对于{0}以z-y-x即321的顺序旋转,即首先将{6}绕z0旋转 角,再绕y0旋转角,最后绕x0旋转!角,得相应的旋转矩阵:6R zyx( ,,!)=R(x0,!)R(y0,)R(z0, )=c c-s c sc s s!+s c!-s s s!+c c!-s!c-c s c!+s s!s s c!+c s!c c!=r11r12r31r21r22r32r31r32r33(2)式中:c余弦函数cos;s正弦函数sin。

3 运动学问题求解若机器人基坐标系{0}相对于参考坐标系(工作站){S}的变换矩阵为S0A,而手爪中所持焊枪相对于末端手腕变换矩阵为6T A,那么,焊枪T相对于参考坐标系(或工作站)S的位姿为:ST A=SA06A6TA(3)根据式(3),如果工具坐标系{T}相对腕部坐标系{W}= {6}的变换6T A已知,机器人相对工作站坐标系{S}的位姿S0A 已知,则工具坐标系{T}相对工作站{S}的位姿S T A即可求出。

根据关节变量 i(i=1,2,!,6)的值,利用运动学方程(1),便可计算出手臂变换矩阵06A的各个元素。

得到手末端相对于基座(或工作站)的位姿。

这称为运动学正问题求解。

反之,为了使机器人所持焊枪相对工作站的位姿满足给定的要求,计算相应的关节变量,称为运动学逆问题求解。

4 ADAM S仿真分析及结果研究以上,通过建立操作臂的运动方程,得出了机器人手的末端位姿与操作臂各关节变量及连杆参数之间的关系。

在此,可以利用ADAM S/V IEW的测量和仿真输出功能,对上述结果进行仿真分析和研究。

在ADAM S/V IEW中建立好样机的机械模型后,给样机的各轴施加载荷。

设定腰部(w aist)、下臂(link1)和曲柄(link2)的驱动力矩分别为t1,t2和t3,而腕部(wrist1、wrist2、wrist3)的驱动力矩设为t4,t5和t6。

其中,这6个驱动力矩设为6个状态变量,与ADAM S/CON T ROL模块及M AT L AB软件进行机电一体化系统仿真联合分析。

在V IEW模块中设定测量输出6个主关节变量即 i的值,同时测量输出机器人手末端按321顺序相对于基座坐标系旋转的RPY角以及机器人手末端相对于基座坐标的位移在3个坐标轴上的投影d x,d y和d z。

图2、图3分别表示了机器人手末端RP Y角在仿真时间内与各构件关节转角的关系。

图2中,横标表示仿真时间(s),由驱动函数及各关节变量范围决定。

纵标表示角度(∀)。

图2中的曲线2,5,6分别表示机器人手末端在仿真时间内相对基座坐标系的旋转角度pitch,yaw,roll角的变化情况。

曲线1表示在同一仿真时间内腰部回转角度的变化值,同样,曲线3和4表示下臂和曲柄回转角度随时间的变化情况。

由于设定下臂和曲柄的驱动力矩相同,因而,在图2中,曲线3和曲线4是重合的。

图2 机器人手末端RPY角与构件1,2,2 绕各轴转角的关系图3中,表示在仿真时间内,机器人手RPY角与3个腕关节转角的关系。

图3 机器人手末端RPY角与构件7,8,9绕各轴转角的关系图4和图5则表示了在同一仿真时间内机器人手的末端相对于基座坐标系移动的位移在3个坐标轴上的投影d x,d y, d z与各轴转角的关系。

两图中,横标表示仿真时间(s)。

左列纵标表示位移(mm)。

右列纵标表示角度(∀)。

图4 机器人手末端位移与构件1,2,2 绕各轴转角的关系以上4图也可以合并成一个图形,即反映了在仿真时间内任一时刻机器人手末端的位姿与各轴转角的关系。

如:在仿真时间0.1s时,从图2~图5中可以看出,此时,机器人手末端的位姿与各轴转角数值如表1所示。

512004年12月沈红芳,等:A DA M S在弧焊机器人运动学中的仿真分析和应用第21卷第12期2004年12月机 械 设 计JO UR NAL OF M ACHIN E DESIGNVol.21 N o.12Dec. 2004履带车辆悬挂系统磁流变液减振器的研究李猛,吕建刚,张进秋(军械工程学院火炮工程系,河北石家庄 050003)摘要:履带车辆被动式悬挂系统的设计是在某一确定的常用车速和地表形状下,确定系统的弹簧刚度和阻尼系数等基本参数以达到其工作性能的最佳化,对工况的适应性较差。

建立在减振器基本结构形式不变的前提下,采用磁流变液减振器的半主动悬挂系统,可以使车辆在各种工况下都保持其耗能减振性能的最优化。

通过理论分析,这种叶片式M RF 减振器提供的阻尼力可完全替代原减振器,并具有更优良的控制性和适应性。

关键词:减振器;半主动悬架;磁流变液;履带车辆中图分类号:T J811文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2004)11-0052-04要进一步提高现代履带车辆的行驶速度,不仅仅是增加发动机功率,一个重要的制约因素就是地面激励所引起的振动问题没有很好的解决。

要保证履带车辆必要的行驶平稳性,保证乘载人员维持必要的战斗力和工作能力所需的舒适性,现有的悬挂系统是不能满足未来战争对先进作战车辆需要的。

另外,现代装甲车辆都有很完备的火控系统,可以实现行进间射击,如果改进悬挂系统的平稳性,对提高坦克、自行火炮等战斗车辆的行进间射击精度,缩短射击反应时间等将大有益处。

因此,改进和研制新型的履带车辆半主动式悬挂系统,对提高作战车辆的机动与火力性能具有重要的军事意义。

1 履带车辆被动式悬挂系统减振器的结构分析履带车辆悬挂系统的减振器多采用旋转叶片式液力减振器。

其工作原理为,当行驶中负重轮受到冲击向上运动时,拉臂使连接臂、叶片总成扭转,叶片向隔板靠拢,使高压腔内液体产生高压,经减压阀上的固定孔,使高压油流入低压腔。

当固定孔溢流来不及,油压上升使弹簧压缩,减压阀门打开,液压油可较多地涌入低压腔。

当负重轮向下运动时,拉臂使连接臂、叶片总成向反方向扭转,减压阀门关闭,低压腔内的液压油只能通过固定孔流入高压腔。

液压油在通过固定孔、阀门时阻力增大,压力升高,温度上升,使负重轮的冲击能量转化成热能。

所以减振器工作过程中主要依靠减压阀进行耗能减振。

减压阀的原理如图1所示:从其工作原理可以看出,减振器耗能主要依靠液体流过减压阀时产生的压力损失完成的。

其计算公式为:图5 机器人手末端位移与构件7,8,9绕各轴转角的关系这样,在任一时刻,若已知各主动关节变量的取值,即可求得末端的位姿。

反之,对应于机器人手末端的每一个位姿,都能从图中求得相应的关节转角的值。

这个结果也可用于验证运动学方程的正解和反解。

表1 在0.1s时机器人手末端位姿与各主动关节转角的关系机器人手末端0.1s时位姿各主动关节0.1s时转角d x-788.8mm Waist116.6∀d y-609.1mm Link1-8.6∀d z138.5mm Link2-8.6∀Roll-115.1∀W rsit117.1∀Pi tch52.0∀W ri st2-35.3∀yaw-9.5∀W ri st329.8∀参考文献[1] 郑建荣.ADAM S虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2002.[2] 熊有伦,等.机器人学[M].北京:机械工业出版社,1993.[3] 蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社,2000.[4] 金万敏,等.机器人机械学[M].南京:江苏科学技术出版社,1994.[5] 赵锡芳.机器人动力学[M].上海:上海交通大学出版社,1992.[6] 王庭树.机器人运动学及动力学[M].西安:西安电子科技大学出版社,1990.收稿日期:2004-03-22;修订日期:2004-06-24作者简介:李猛(1980-),男,江苏连云港人,硕士研究生,专业方向:车辆工程。