基于ADAMS的五自由度机器人运动学仿真.pdf
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1、开发与创新 机电产品开发与创新 Development Innovation of Machinery Electrical Products Vol21,No6 Nov,2008 第21卷第6期 2008年11月 收稿日期:20081017 作者简介: 刘宏伟 (1966年-), 女, 硕士研究生, 副教授。 主要研究方向: 数控技术; 机器人设计与控制。 基于 ADAMS 的五自由度机器人运动学仿真 刘宏伟 (南阳理工学院 机电系, 河南 南阳473004) 摘要: 介绍了基于ADAMS的五自由度机器人的三维建模方法, 并用ADAMS的运动仿真功能对五自 由度机器人的运动特性进行了仿真分析
2、, 给出了机器人在典型运动状态下, 手部末端的位移、 速度及加速度等特性曲线, 为机器人运动控制及优化设计提供参考依据。 关键词: 工业机器人;5-DOF; 运动学分析;ADAMS 中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:10026673(2008)0604203 0引言 机器人的运动学性能一直是其设计研究工作的重 点。 对于多自由度串联机器人尽管其运动学正解相对 于其反解要容易计算的多, 但是这项工作往往也需要 进行大量复杂的矩阵运算,工作量大且容易出错。 借助 ADAMS机械系统动态仿真分析软件, 可以大大简化以 上工作,机器人的各运动学与动力学性能可以通过仿真 动画和数据图表直观地
3、展现。 本文根据华中科大生产 的一台教学型五自由度工业机器人,采用ADAMS仿真 软件建立了该机器人的虚拟样机并进行了运动学仿真 研究。 1教学型五自由度工业机器人简介 1.1五自由度机器人 的连杆参数 由图1可以看到本 教学型五自由度工业机 器人由底座、 驱干、 大 臂、 小臂、 手腕及手等 部分组成, 各个部分之 间由腰关节、 肩关节、 肘关节和两个腕关节相 互连接。 五个关节均为 转动关节, 分别安装步进驱动电机, 带动机器人的各个 杆件在控制系统的作用下按要求运动轨迹运动, 以实现 末端执行器的装配、 搬运等功能。 其连杆参数见表1。 2机器人运动学 研究机器人运动学的重点是其手部的位
4、姿和运动, 一是根据机器人的各关节的转角或位移推算出机器人末 端执行器的位姿; 二是根据机器人末端位姿计算出各个 关节各自的转角或位移。 从运动学的角度讲, 前者是运 动学正问题, 后者是运动学逆问题。 2.1运动学正解 机器人正向运动学主要解决机器人运动学方程的建 立及手部位姿的求解。 对于本文的五自由度机器人其运 动学方程为: 表 1五自由度机器人的连杆参数 T a b . 1L i n k p a r a me c t e r s o f 5 - D O Fr o b o t 杆号关节转角i扭角i杆长ai距离di变量范围 11003700360 22904000-3090 3303000
5、-4590 440060-9090 5590050-6060 42 开发与创新 T5=A1A2A3A4A5 其中:A1、A2、A3、A4、A5各矩阵表示第i+1连杆 相对于第i连杆的齐次变换: A1=Rot(Z0,1)Trans(0,0,d1)Rot(x1,a1) A2Rot(Z1,2)Trans(a1,0,0) A3=Rot(Z2,3)Trans(a2,0,0) A4=Rot(Z3,4)Trans(0,0,d4)Rot(x4,a4) A5=Rot(Z4,5)Trans(0,0,d5) 将上述各参数代入, 可求出以15为变量的运动 学方程, 若给定各关节变量15的位置值, 即可求得 机器人手部
6、的位姿: T5=A1A2A3A4A5= nxoxaxpx nyoyaypy nzozazpz 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 式中, 前三列表示手部的姿态, 第四列表示手部的 位置 1 (由于复杂的矩阵运算, 结果不再列出)。 2.2运动学反解 机器人运动学反解是在已知手部要达到的目标位姿 的情况下如何求出各关节变量, 以驱动各关节的马达, 使手部的位姿得到满足。 机器人逆运动学求解方法众多, 一般分为两类: 封闭解和数值解 1。 由于不同学者对同 一机器人的运动学逆解提出不同的解法, 同时机器人运 动学逆解
7、问题在求解时还有可能无解或存在多个解, 使 得机器人运动学的反解成为机器人运动学研究中的难点。 3基于ADAMS的五自由度机器人三维模型 的建立 3.1 ADAMS的主要工作模块 2 ADAMS集建模、 计算和后处理于一体, 由多个模 块组成, 基本模块是View模块和Postprocess模块, 通 常的机械系统都可以用这两个模块来完成 。 另外在 ADAMS中还有针对专业领域而单独开发的一些专用模 块和嵌入模块, 本研究主要用基本模块即View模块和 Postprocess模块来完成。 3.2基于ADAMS/View的五自由度机器人仿真模型 由于ADAMS/View三维实体建模功能相对薄弱
8、, 大 多研究机构都采用专业的CAD软件和ADAMS联合建模 的策略。 即用CAD软件如Pro/E等建立三维模型, 然后 导入到ADAMS/View中, 再利用ADAMS/View对模型进 行运动学或动力学仿真。 考虑到本文所研究的五自由度 机器人结构相对简单, 可以充分利用ADAMS/View所提 供的布尔运算功能建立机器人模型, 虽然建模的工作量 大大增加, 但构建的模型可以实现必要的参数化, 并且 施加约束、 运动等非常方便。 虚拟样机的建立要尽可能地简化模型, 在满足虚 拟样机仿真运动的完整前提下, 模型的零件数量应该 尽可能的少, 多个零件固结时, 只用一个零件表示, 以节省运动副数
9、量。 保留主要的运动部件 , 忽略齿 轮, 轴承等细化的部件。 为了保证虚拟样机的准确 性, 各主要部件的空间布局应该与物理样机相当。 用 ADAMS/View建立五自由度机器人仿真模型的步骤: (1)设 置ADAMS/View工 作 环 境 :工 作 栅 格 (10001000)mm; 间距10mm; gravity设为-y方向。 (2) 几何建模: 创建底坐构件创建驱干构件创 建肩构件创建大臂构件创建小臂构件创建手腕构 件创建机械手构件。ADAMS/View工作界面中的虚拟 五自由度机器人仿真模型如图3。 (3) 对各构件添加约束: 首先在机器人的基座上添 加固定副, 然后在机器人的腰部、
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- 基于 ADAMS 自由度 机器人 运动学 仿真
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