基于ADAMS的机械手臂运动仿真分析_李金恒

量。 在实际应用中 , 通常还要求根据末端的位姿求出
各个关节的角度 , 即求机械手臂的运动学逆解 。对于 关节型 机 器 人 手 臂 来 说 , 其 灵 巧 点 一 般 具 有 多 解 性 [ 3 -5] 。造成机器人手臂运动学 逆解具有多 解的原因 是由于解反三角函数方程时产生的 。对处于实际工作
θ1 =arctanPPXY或 180°+arctanPPY X 设 θ2 =α, θ2 +θ3 =β , θ2 +θ3 +θ4 =γ
PZ =d+l1 sinα+l2 sinβ +l3 sinγ
(2)
± P2X +P2Y =l1 cosα+l2 cosβ +l3 cosγ 由末端执行器位姿 坐标轴 a(Z)轴与 手腕的 指向 γ的几何关系有
nZ =sin(θ3 +θ4 +θ5 )
oZ =0
aZ =cos(θ3 +θ4 +θ5 )
PZ
=lsin(θ+θ+θ)+lsin(θ
3
3
4
5
2
3
+θ)+lsinθ+d
4
1
3
2
其中 X、 Y、 Z为连杆坐标系 3 个方向的 坐标轴 ;
PX、 PY、 PZ为手腕 端面坐 标系 原点在 基坐 标系 中的 位置 ;d2 为连杆 2与连杆 1 的距离 ;θi为机械手臂第 i关节的旋 转 角度 ; li为连 杆 i的 长 度 ;而 n、 o、 a 矢量则表示了手腕端面坐标系各坐标轴的方向余弦向
样机模型和作者所设计的具有五自由度机械手臂的机
器人实物图 。
2 连杆坐标系与运动学分析
图 4 机械手臂的连杆坐标系统
D-H法 [ 2] 由 Denauuit和 Hartenbery于 1956 年 提 出 , 它严格定义了每个坐标系的坐标轴 , 并对连杆和 关节定义了 4个参数 , 是对机器人连杆和关节建模的 一种非常简单的方法 , 可用于很多机器人的构型 。利
以把零件改成相 应的名
字 , 然后添加运 动副约
束 、 基本约束或 运动约
束 , 施加相应的载荷 。
在添加约束 的时候 , 需
要把基座 和地
(Ground)用 锁 定 约 束
进行连接 , 这样 模型才 能进行正确 的仿真 。图
图 3 机械手臂实物图
2 和图 3分别是在 ADAMS中建 立的 机械手 臂的 虚拟
因此文中的五自由度机械手臂的逆运动学可以进行求 解 。由于运动方程 T5 有很 多角度 的耦 合 , 对运 动学 方程进行求解时不能通过方程式联立求解 , 而是用一 系列变换矩阵的逆左乘 , 使得方程右边不再包含这个 角度 , 然后找出右端为常数的元素 , 并令这些元素与
左端元素相等 , 从而得到相应角度的解如下 :
关键词 :机械手臂 ;运动仿真 ;虚拟样机 中图分类号 :TP391 文献标 识码 :A 文章编号 :1001 -3881 (2009) 8 -206 -4
KinematicsSimulationofMechanicalArm BasedonADAMS
LIJinheng, XIAOHui, HUZhihua (SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering, SouthChina UniversityofTechnology, GuangzhouGuangdong510640, China)
ADAMS软件具有十分 强大的 运动 学和动 力学 分 析功能 , 但由于 ADAMS的建 模能力 相对薄弱 , 前处 理模块中的几何建模功能不强 , 无法完成复杂模型的 建模 , 因此降低了结构分析结果的可信度 。作者利用 基于特征的参数化设计软件 Pro/E建立五自由 度的机 械手臂结构并赋予与实际相应的各种属性 , 然后利用 Mechanism/Pro模 块 将 虚 拟 样 机 模型 导 入 到 ADAMS 环境下 , 进行 运动 学仿 真分 析 , 并 根据 D-H方法 对 其进行数学模型的建立 , 进行正向运动学和逆向运动 学分析 , 利用仿真结果来验证所建立的机械手臂的运 动方程 。
li/mm
0
0 l1 =650 l2 =662 l3 =324
di cosα sinα
0
1
0
d0
1Baidu Nhomakorabea
0
1
0
0
1
0
0
0 -1
根据表 1 所 示的 参数 和 D-H法 , 可 得机 械 手臂 的运动方程 [ 2] 为
nX oX aX PX
T5
=
nY nZ
oY oZ
aY aZ
PY PZ
(1)
式中 :
0 00 1
环境的机械手臂来说 , 例如文中的机械手臂由于作业 避障要求 , 存在可能 只有一 组解 与实际 对应的 情况 ,
因此必须做出正确的判断 , 选择合适的解 。
· 208·
机床与液压
第 37卷
所有具有转动和移动关节的机器人系统 , 在一个 单一的串联链中 , 自由 度小 于或等 于 6时 是可 解的 ,
到。 在进行仿真之前要先在机械手臂虚拟样机上添加
驱动和测量 。在肩关节的齿轮 、 肘关节 、 腕关节的转
动副上分别添加电机驱动 (Rotationjointmotion), 运 动方式选择转动 , 然后 在 Function(time)项 中输 入
运动函数 , 分别控制各关节的伸展状态和摆动角度如 下:
肩关节的齿 轮 :STEP (time, 5.0, 0.0d, 10.0, 180.0d) +STEP(time, 20, 0.0d, 25, -180.0d)。
肘关节 :STEP(time, 0.0, 0.0d, 5.0, -180.0d) +STEP (time, 10, 0.0d, 15.0, 90.0d) +STEP (time, 25, 0.0d, 30, 90.0d)。
Abstract:ThethreedimensionalmodelofthemanipulatorwasbuildedupbyusingPro/Esoftware.Therigidbodyofthemodel wasdefinedthroughtheMECHANISM/Proplug-in, andthemodelwasimportedintoADAMSsoftwareandturnedintoavirtualprototypeofthemanipulator.Somecharacteristicsofthemanipulatorweresimulatedandverified, andaprototypewasprovidedforthetest ofthecontrolsystem.
腕关节 :STEP (time, 15, 0.0d, 20.0, 90.0d) +STEP(time, 25, 0.0d, 30.0, -90.0d)。
图 1 机械手臂的三维模型
收稿日期 :2008 -07 -28 作者 简 介 :李 金 恒 (1983— ), 男 , 硕 士 研 究 生 , 研 究 方 向 为 机 械 制 造 及 其 自 动 化 。 电 话 : 13560380695, E-mail:
284793582@qq.com。
第 8期
李金恒 等 :基于 ADAMS的机械手臂运动仿真分析
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1.2 机械手臂虚拟样机的建模
图 2 ADAMS中生成的机械手 虚拟样机模型
在 Pro/E中 利 用 Mechanism/Pro对 零 件
进行合 并和 刚体定 义 后 , 就可以 传递到 ADAMS环 境 中 进 行 约 束 的定义 。为了更 好地对 零件进行后 续操作 , 可
1 机械手臂的仿真建模 1.1 机械手臂的三维模型建立
机械手采用 Pro/E来进行建模 , 其 Pro/E模型如 图 1所示 。该机械手臂参照人体手臂的结构 , 采用开 链连杆式的关节型结构 , 分为前臂 、 上臂 、 手腕和手 爪等结构 , 以 及 能够 旋 转 的 腰关 节 、 肩 关 节 、 肘 关 节 、 腕关节和手 爪关节 。 机械手 臂拥有 5个自 由度 , 但由于机械手臂可以安装在移动的车体上而增加额外 的自由度 , 故总体自由度为 6以上 , 使手臂末端执行 器能实现空间中的任何位姿 。
用 D-H方 法对设 计的 五自由 度的 机械手 臂建立 各连
杆的坐标系 , 如图 4所示 。 由连杆坐标 系统 确定 了连 杆的 D-H参数 和 各个
关节的变量如表 1所示 。
表 1 机器人手臂的 D-H参数
连杆 1 2 3 4 5
变量
θ1 θ2 θ3 θ
4
θ5
αi/(°) 0 90 0 0
-90
(6)
3.1 机械手臂的工作域仿真 工作域是指机械手臂上的一个特定标记点能在空
间的最大活动范围 。工作空间的形状和大小反映了机
器人手臂 工作 能 力的 大小 , 它不 随环 境的 变 化而 变 化 , 故机器人手臂的标记点常选手腕的端部或手爪的 端部 [ 6 -7] 。
根据机械手臂的参数和基本设计指标 , 对其虚拟 样机进行运动仿真 , 可以得出理论工作区域和其特殊 的工作尺寸 , 同时机械手臂上任意点的轨迹也可以得
2009年 8月 第 37卷 第 8期
机床与液压
MACHINETOOL＆ HYDRAULICS
Aug.2009 Vol.37 No.8
DOI:10.3969 /j.issn.1001 -3881.2009.08.067
基于 ADAMS的机械手臂运动仿真分析
李金恒 , 肖慧 , 胡志华
(华南理工大学机械与汽车工程学院 , 广东广州 510640)
Keywords:Manipulator;Kinematicssimulation;Virtualprototype
0 引言 随 着计算机 技术 和加 工制 造 业的 飞速 发 展 , 机
器 人技术的 发展速 度越 来越 快 , 其智 能化 程度 越 来 越 高 , 已经 应用并 扩展 到经 济发 展 的诸 多领 域 , 成
nY =sin(θ1 +θ2 )cos(θ3 +θ4 +θ5 )
oY =cos(θ1 +θ2 )
aY =-sin(θ1 +θ2 )sin(θ3 +θ4 +θ5 )
PY =l3 sin(θ1 +θ2 )cos(θ3 +θ4 +θ5 )+l2 sin(θ1 +
θ2 )cos(θ3 +θ4 )+l1 sin(θ2 +θ3 )cosθ3
sinγ=aZ※ γ=arcsinaZ
设 PZ -d-l3 sinγ=A, ± P2X +P2Y -l3 cosγ=B 解得
θ2 =α=arcsinA22l+1 l21 A+2B+2 B-2l22 -arctanBA
(3)
β =arctan PZ -l3 sinγ-l1 sinα ± P2X +P2Y -l3 cosγ-l1 cosα
摘要 :利用 Pro/E软件建立了机械手臂的三维模型 , 并通过插 件 MECHANISM/Pro对 模型进行 刚体定 义 , 把模 型导入 ADAMS进行后 续的约束和驱动添加 , 从而获得机械手臂的虚拟样机 。 然后 对机械手臂 的虚拟样 机的工作域 进行求解分 析 , 并通过运动仿真模拟了机械手 臂关节在实际作业过程中的驱动情况 , 得出其运 动曲线 , 并分 析和验证了 所建立的机 械手臂 的运动方程的正确性 。
nX =cos(θ1 +θ2 )cos(θ3 +θ4 +θ5 )
oX =-sin(θ1 +θ2 )
aX =-cos(θ1 +θ2 )sin(θ3 +θ4 +θ5 )
PX =l3 cos(θ1 +θ2 )cos(θ3 +θ4 +θ5 )+l2 cos(θ1 +
θ2 )cos(θ3 +θ4 )+l1 cos(θ1 +θ2 )cosθ3
θ3 =β -θ2
(4)
θ4 =γ-θ2 -θ3
(5)
在逆运动 学 方程 中 , 末 端 执行 器 的位 姿 为已 知
量 , 取其中两个元素相等 , 即 nZ =sin(θ3 +θ4 +θ5 ) aZ =cos(θ3 +θ4 +θ5 ) 从而求得
θ5 =arctannaZZ -θ3 -θ4 3 运动仿真结果与分析
为 现代生产 和高科 技研究 中的 一 个不 可或 缺的 组 成 部 分 。目前 , 随 着 机 器 人 技 术 研 究 领 域 的 不 断 发 展 , 机器人 计算机仿 真系 统作 为 机器 人设 计和 研 究 的灵 活方便 的工具 , 发 挥着 重要 的 作用 。 机器 人 计 算 机仿真系 统在机 器人技 术研 究 的许 多方 面都 有 应 用 [ 1] 。