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1、一种基于ADAMS—SIMULINK的机械臂关节动力学分析和联合仿真摘要本文运用ADAMS软件对一种机械臂关节的虚拟动力学模型进行了建模，建模过程中充分考虑了齿轮的啮合刚度、运动副之间的阻尼、负载惯量、传动比以及齿轮间隙等因素。其中，齿轮的啮合刚度和负载惯量对机械臂关节的频率特性起关键性作用。研制了机械臂关节的样机。为了改善机械臂关节机电系统的伺服特性，利用ADAMS-SIMULINK联合仿真建立了机械臂关节的伺服控制模型，将关节的ADAMS动力学模型中的传感器和执行器参数直接嵌入到MATLAB环境中，形成伺服控制系统设计。通过比对样机的实验数据，对虚拟样机参数进行了优化。所以，？＜3械臂
2、关节的复杂动力学模型可以用于指导关节的设计、仿真和试验。【关键词】机械臂联合仿真动力学分析机电伺服控制系统1引言在提供营救发射失败的卫星和清除太空垃圾等飞行器上，需要安装一种轻型机械臂。为了提高这种机械臂的柔性、可操作性和抓取性能，技术的关键在于使机械臂的关节更小巧更轻便。本文提供了一种用于机械臂关节的动力学特性和伺服特性分析的有效方法。国际研究机构已经对机械臂进行了深入研究，其中包括加拿大国际空间站的的MSS(MobileServicingSystem),它由MBS(MobileRemoteServicerBaseSystem),SSRMS(SpaceStationRemoteManip
3、ulatorSystem)和SPDM(SpecialPurposeDexterousManipulator)组成［1］；FTS(FlightTeleroboticServicer)［2］,Skyworker［3］,Robonaut［4］和美国的ORBITALEXPRESS［5］,日本的JEMRMS(RemoteManipulatorSystem)和ETS-VII；以及欧洲的EuropeanERA(TheEuropeanRoboticArm),ROTEX和ROKVISSo在本文中，建立了机械臂的模型，充分考虑了关节齿轮的啮合刚度，运动副之间的阻尼，负载特性等。建立了“速度■位置”双闭环控制系
4、统。对关节的谐振频率进行了分析。最后对关节的伺服特性、试验和优化进行了分析。2关节动力学建模和分析2.1关节动力学建模根据弹性力学有限单元法，多自由度系统的运动微分方程可以描述为：(1)其中，［J］为质量矩阵，［C］为阻尼矩阵，［K］为刚度矩阵，t为外激励力，e为扭转位移响应向量。在求系统的固有频率和固有振型时，阻尼对它们影响不大，略去阻尼项，得到无阻尼自由振动的运动微分方程：(2)其对应的特征值方程为：(3)式中6ji为第i阶模态的固有频率匸1,2,,,n。这时的振动系统一般存在n个固有频率和n个主振型⑹。机械臂关节伺服系统的固有振动频率是指伺服系统扭转振动的固有频率，影响伺服系统固有频
5、率的因素很多，如轴的刚度、齿轮啮合刚度、系统零件间的接触刚度、转动惯量及各种摩擦及阻尼等。刚性物体是指物体在外力作用下其内部任意两点之间没有相对位移、速度、加速度，将其作为统一体进行考虑，这是一种理想结构。但在实际情况中，物体在外力作用下必然会产生一定的形变。在低速、小载荷的情况下，物体的变形不是很明显，可以将其看成刚性体，其计算结果也在误差允许范围内。而在考虑传动系统谐振频率和具有较大冲击、振动的场合，必须把构件当作弹性体，进行有限单元离散化，其计算结果才能符合实际情况。而弹性体的运动学、动力学分析比刚性体更加复杂，所以对伺服机构的刚柔耦合动力学分析就显得很有现实意义。本文用ADAMS软
6、件对机械臂关节进行仿真过程时，模型之间的连接根据实际模型的连接类型进行约束，模型检查无误后对传动轴、齿轮副和关节负载进行柔性体建模，柔性体模型在ADAMS/Patran中建立，通过Nastan计算生成Mnf文件，最后用ADAMS柔性体模块将刚性体替换为生成的Mnf文件。图1为机械臂关节传动链ADAMS仿真模型，其约束类型详见表1O2.2关节谐振频率分析在ADAMS软件中，对电机输入轴端加载正弦扫频函数，将框架设成柔性体并在陀螺质心位置设置测量点，从而模拟产品实际扫频试验，通过虚拟扫频的方法激发传动链结构谐振特性。在ADAMS定义的电机驱动运动的扫频函数如下。SWEEP(x,a,xo,fo,
7、x1,f1,dx)=M式中，x为作用时间，a为角速度幅值，xo为开始时间，fo为扫频开始频率，x1为结束时间，f1为扫频终止频率，dx为仿真迭代步长,M为电机角速度[7]o截取前0.4s的扫频函数函数曲线。对直驱系统进行测量，得到系统的转动惯量为1.36x10-2Kg?m2,时域谱型及经FFT变换后的频率响应曲线如图2所示。3ADAMS和SIMULINK联合仿真模型建模在进行联合仿真之前，需要在ADAMS中设置模型的输入
