资源描述：
《具有冗余自由度的机械手臂的构型优化》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、具有冗余自由度的机械手臂的构型优化作者贾腾赵宪良崔金超安少杰李朝阳赵士欣摘要: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。关键词：Pro/E;运动学分析；机械手；ADAMS;优化；0 引言冗余自由度机械臂具有灵活性高、避障能力强、以及
2、抗故障风险等优点，可以在保证末端操作器位姿不变的前提下实现避奇异、避障、避关节极限、关节力矩优化及抑制振动等运动学和动力学层面的优化。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。ADAMS软件具有十分强大的运动学和动力学分析功能,但由
3、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。一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
4、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。9图1机械手臂的三维模型1．2机械手的驱动方式机械手的驱动方式很多,常用液压、气动、机械传动、电机驱动等。本机械手模型采用电机(舵机)驱动,舵机属于微型伺服马达(Servo),含义为“掌舵人操纵的机器”,在航模及自动控制中,舵机担当着重要的作用,与普通
5、电机不同的是,舵机能够提供相当精确的位置控制以及比较大的扭矩输出。本机械手由六个舵机驱动,选用的舵机属于数码舵机,与模拟舵机相比,两者最大的不同是数码舵机的微处理器,在控制舵机的动作上,比模拟舵机快6倍,即数码舵机可以提供更高的精度和更好的固定力。另外,该类舵机由无核心马达、合金钢减速齿轮、铜输出轴等组成,它可以依据接收到的脉冲指令,转动至指定点的位置,它是各个运动关节的动力来源。选择舵机时主要应考虑安装尺寸、扭力大小和速度等因素。本机械手实物如图2所示,由于该机械手以铝合金为主体材料,模拟抓取的试样重量不大,故其总体设计尺寸为:下臂
6、支架高度为52mm,下臂长度为152mm,上臂高度为85mm,钳爪伸出长度为40mm,钳爪开合范围8～38mm,故选用的舵机规格为:扭力为3.5公斤力/cm,速度为60°/s。采用舵机驱动机械手模型动作,可以简化结构,降低成本,便于控制和进行运动分析。图2机械手实物模型91．3机械手臂虚拟样机的建模在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AD-AMS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
7、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。二连杆坐标系与运动学分析图3机械手臂的连杆坐标系统D-H法由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3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参数连杆变量根据表1所示的参数和D-H法,可得机
8、械手臂的运动方程为9式中: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;Hi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
