五自由度机械手动力学分析与仿真

五自由度机械手

第3 8卷第 2期Vl _8 NO. O 3 1 2

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20 0 9年 4月Ap i20 rl 09

J OU RN AL F HEBEIUN I O VERSI TY F TECHN 0LO GY O

文章编号： 10—3 3(0 9 20 3.5 72 7 2 0 )0 .020 0

五自由度机械手动力学分析与仿真刘淑英，张明路，韩慧伶(河北工业大学机械工程学院，天津 3 0 3; . 1 0 10 2空军航空大学吭空机械工程系，吉林长春 10 2 ) 302

摘要

针对五自由度机械手，基于 L ga g arn e方程建立了五自由度机械手的动力学模型，通过 UG建立实体仿真

模型，利用 UG与 A MS良好的接口直接导入 AD DA AMS建立了虚拟样机，并且进行了动力学仿真，得出了各关节转角和关节力矩的关系曲线，分析了末端机械手速度对各关节力矩、角速度和角加速度的影响，这对提高机械手的设计性能、减少研发时间提供了帮助，并为机械手的控制分析打下了基础. 关键词五自由度；移动机械手；动力学；建模；仿真T 4 H2 1文献标识码 A 中图分类号

S u y a d S mu a i n o n m i so - t d n i lt f o Dy a c f DOF M a i u ao 5 n p lt rLI S u y ng, ZHAN G i g l HAN iln U h— i M n—u, Hu—i g( . co l f c aia E gn eig 1 S h o Mehncl n ier,Hee Unvri f eh oo y Yaj 0 10 C ia 2 De at n f rnui l o n b i iesyo T cn lg, ini 3 0 3, hn: . pr t n met Aeo at a o cadMeh ncl n ier g n ca i gnei,AiF re vao ies y inC ag h n 3 0 2,C ia aE n r oc it nUnvri,J i hn c u 10 2 A i t l hn)Ab t a t B s do eL g a g q a in t ed n mi d l f一 s r c a e nt a r n e u t, h y a cmo e o 5 DOFma i u ao si o ti e . T e e i lt n h e o n p lt r s b a n d h nt mu a i h s o mo e ih

s t p i dl wh c e UG x o t dt u n i e p re ADAM S h s tev r l r t tp sa l h d s o,T u, h i ua p o o y ei e tb i e .Ont eb s f h s t s s aeo tee h,

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d n mi i lt n o t ema i u ao n s e y u i gt ev r a p o o y ewh c s sa l h db y a csmu a i f h np lt r s i db s i u l r tt p o hwa tb i e yADAM S T e o if h i n h t e s . h

rl i uvs fon g n ji ru e dcd T ee et fh eoi fh np l o’S n ba e e t ncre jitn l ad on t q e r u e. h c o te l t o te ao o a e to a e f v cy ma i a r dioti d ut e s nt eeyon ru, n ua lcya g l cl a o . h s s d y e f r me e rh s n aa it s o vrji t q e a g l v o i,n ua a e rt n T ee t y to re t rc e i u ma b f d o l f e ei p bli ao s h pot d g c iea dr d cn es d e i d.Ath a me h u d t na ee t b ih df r h o to n l ss f h n p lt r n u i gt t yp r e h u o es me i,t e o n a i r sa l e ec n r l ay i t e t t f o s o t a o ma iu a o . Ke r s 5 DOF ma i ua o: d n mi s mo e: smu ai n ywo d -; n p lt r y a c: d 1 i lt o

0前言长期以来，机器人手臂的动力学分析一直是难以很好解决的问题，主要表现在数学建模复杂，运算量大，以实现实时控制等方面 .这样就限制了机器人的设计和应用性能，制约了精确的轨迹跟踪 .而难

动力学仿真软件的应用无疑对提高机器人的设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间提供了帮助，并为机械手的控制研究奠定了基础 .目前，机器人手臂的动力学建模有很多种方法，最为常见的有基于 L gag ar e方程的方法、K n

n ae方

法、旋转代数法和 N wo .ue方法等 .仿真软件也多种多样，如 A A、D D、D S O S .其 et El n r D MS A S IC O等中基于 L gag方程的建模方法以编程方便， ar e n可以直接与通用的商业软件如 A S S A A N Y、 D MS等对接而得到了广泛应用.而且它不涉及约束力，直接建立主动力与运动的关系，在机器人系统动力学特性的分析上有明显的优势圳 .

本文以 H b t1型移动机械手为基础，抛开移动平台， eu一 I把机械手 (自由度 )作为单独的研究目标，五 针对机械手的实际结构，将其简化成如图 1所示 .采用基于 L gag ar e方程的方法对其进行了动力学分 n析，同时利用 A A仿真软件进行了动态仿真，分析表明， D MS通过对一些相应参数的修改，可以达到较收稿 B期：2 0—22 0 90 .1

基金项目：国家 8 3 6计划 (0 6 0 Z 2 ) 20A 4 2 1;国家 8 3 6计划 (0 7 A 4 2 9 20A 0Z2)作者简介：刘淑英 (9 9) 16 .,女 (汉族 ),副教授 .

五自由度机械手

第2期

刘淑英，五自由度机械手动力学分析与仿真等：

好的设计和控制性能 .

1机械手动力学模型分析拉格朗日函数被定义为系统动能和势能P之差，即L=—P () 1

由拉格朗日函数 L所描述的系统动力学状态的拉格朗日方程为=

告器][ _器

图 1机械手结构简图Fi .1 T e c nf u a i n d a r m fma i u o g h o i r to i g a o g np t r

i 1 2…,/=,,//

式中：为连杆数目；q为广义坐标 ( m或 rd; a)

西为广义速度 (/或 rd )为作用在第i m s a/; s个坐标上的广义力 ( N或 N . m)11机械手系统动能 .

系统的动能为=

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式中：为伪惯性矩阵，即有 I七I七I… 2Ii …

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因此，连杆的机械手总的动能为

==Te q舞lJ∑ -a{=J÷ l 1_ c= ( - f 1 l 。 l _ -、 1 j￣ / r 1 k=

n

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此外，连杆 i节传

动装的动能为关K: 1l qt l2 "

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式中：为传动装置的等效转动惯量，k ;宣为关节i gm。 的角速度，rd . a/ s则机械手连杆系统关节的传动装置总动能为I I

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综上，即得到机械手系统 (包括传动装置 )的总动能为

一吉1=a[/+砉=娶喜r\ f= cV O=, e J j =1器 O 1 1七 T￣ =砉， r (,V{1÷I a /砉 _ 1 cV等}+f; e∑k I,∑=耋舞 = f∑耋 jT 0 ∑= t ￣埔= 1= a(J j+砉 cV甏 Ixr l,下l e V 1 m ∑T哥 a j . k f∑== =

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第 3卷 8

式：q机手性阵其：:口号；和为械关转和速 中 )械惯矩，中 c q口机手节角角度 为 g (维F ma x{ . I 、 』

矢量；L为机械手关节传动装置等效传动惯量矢量.12机械手系统势能 .

连杆i的势能为Jf p=一n ) 轩

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在忽略传动装 I一 J情况下，机械手系统的总势能为— . t J _

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式中：为连杆 f 的质量，k;为连杆 g 相对于其前端关节坐标系的重心位置矢量；g为重力加速度矢 量，即有 g g岳o.[ 11机械手系统拉格朗日动力学方程 . 3

连杆机械手系统拉格朗日函数为L K一P

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寺 g+ii m审 );r+, 0 tl g I￣ .

代入式 ()可以给出， 2 z连杆机械手系统动力学方程，即连杆广义力 (关节动力矩)为

=kre 1+耋 a( ∑1 c 1T I∑ 毒\ 器埔==

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砉…(主:

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式 (0 1)可以写成以下形式，即

= D+圭， D i,…∑痼十∑∑臼 : 2, D审+=, 1,, ,

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式中：D

∑ TracP l P口~= a Z, m x ma x I、

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D T m = r/ a=

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P ma .^ x￡J..

D=∑

(4 1)

2机械手动力学数值仿真首先， u在 G中建立五自由度机械手实体模型，简化后输出 P R S LD的文件格式，入到 A A AAOI导 D MS中，￣ A A D MS中进行模型的进一步处理 .在 A A软件中对模型添加约束、摩擦，规定末端机械 D Ms

五自由度机械手

第2 期

刘淑英，:自由度机械手动力学分析与仿真等五

手运动轨迹，添加驱动力矩，在各个关节加测量函数来

测量其力矩、速度、加速度和各关节转角的关系，利用虚拟样机技对五自由度机械手的动力学进行仿真 .表 1各零部件的质量惯性参数Ta b. 1 M a si r i o r i sofe c pa t s ne tapr pe te a h r

动力学仿真流程见图 2 . 首先设定末端执行器以 2 m s的速度沿规定轨迹 0m/运动 (0, 8, 4 (.3 .5 . 0 3 0 6 0)点到 ( 0, 8, 4 ) 8 . 5 .5 .,对 0 3 0 2 0)

机械手运动进行仿真，调用仿真后处理模块 A A/ot D MS s P— poes r s,绘制各关节力矩、角速度、角加速度随各关节 c转角的变化曲线 .然后再改变参数进行相应的比较 .ma puaor ni lt1 0 0

图 2动力学仿真流程图Fi .2 P o r m h r fd na c i g r g a c a t y mi ssmulto o ain

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图 3各关节转角和各关节力矩之间关系 Fg T e ea o si bt e ah on tt na geade c itoq e i 3 h lin hp e r t wene c itoai n l n ah on ru j r o j t

图 4末端执行器 2速度第 2 O关节力矩、角速度、角加速度的关系F g 4 T erl in hpa n r u . a g l eo i n n uaa c l ain ( h n f co eo i 0 i . h a o s i mo gt q e n ua v lc y a da g lrc ee t et o r t r o T ee def tr lc 2 ) e v y t

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图 5末端执行器 4速度第二关节力矩、角速度、角加速度的关系 0Fg T erl inhpa n ru, a g l eo i da g l ceeain ( h n f c r e ct 0 i.5 h a o si mo gt q e nuav lct a nua acl t et o r yn r r o T e de et l i 4 ) e ov o y

3结论 从仿真结果可以看出，在末端执行器运动轨迹不变的前提下，其移动速度分别为 2m/和 4m/ 0 ms 0 ms 时，各个关节的力矩、角速度、角加速度的变化的图线变化都比较明显 .分析以上图线得出以下结果 . 1 )末端执行器移动速度越快，各关节所需驱动力矩越大； 2 )由于各关节挣摩擦力的存在，角速度和角加速度曲线在开始较短一段时间内变化趋势较陡； 3 )随着末端执行器速度的增大，角速度和角加速度曲线的平稳性变差 .由此可见，只要调整机械手相应的参数，就可以使机械手达到较好的应用和控制性能 .

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[责任编辑

张颖志]

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/t3mj.html