基于RecurDyn的雙SCARA機器人動力學(xué)分析

摘 要： 提出一種可用于微小零部件裝配作業(yè)的新的雙SCARA并聯(lián)機器人，其有三個自由度：兩個平動和一個轉(zhuǎn)動。利用參數(shù)化三維建模軟件UG對雙SCARA并聯(lián)機器人進行三維實體建模，同時將模型導(dǎo)入Recurdyn仿真軟件，構(gòu)建雙SCARA并聯(lián)機器人的虛擬樣機。通過設(shè)置相應(yīng)的仿真環(huán)境和仿真參數(shù)進行仿真分析，得出機器人各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩隨時間變化的曲線，為該并聯(lián)機器人的控制問題和機構(gòu)優(yōu)化提供技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：并聯(lián)機構(gòu)；虛擬樣機；關(guān)節(jié)力矩；仿真分析

并聯(lián)機器人系統(tǒng)具備著特有的高精度、高剛度、高承載力、自重負(fù)荷小等多方面優(yōu)點，自問世以來就引起極大關(guān)注。在很多特定的工業(yè)場合，例如涉及到大量微小零部件的裝配作業(yè)，通過使用平面五桿機構(gòu)進行操作，可以將并聯(lián)機構(gòu)便于控制，重復(fù)定位能力高，成本低等方面的優(yōu)勢能更為明顯的體現(xiàn)出來。伴隨著技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，該平面并聯(lián)機器人技術(shù)必然會被更為廣泛地應(yīng)用在工業(yè)自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中。

通過虛擬樣機技術(shù)對機電系統(tǒng)進行動力學(xué)、靜力學(xué)分析，不僅可以為設(shè)計方案的優(yōu)化和控制系統(tǒng)的開發(fā)提供可靠的依據(jù)，還可以大大減少物理樣機的制造成本和實驗次數(shù)，大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，有效提升產(chǎn)品質(zhì)量并降低開發(fā)成本。因此，在知識經(jīng)濟背景下，對機器人系統(tǒng)進行虛擬樣機及其技術(shù)的研究和開發(fā)，可以更高質(zhì)量地提高產(chǎn)品性能，完成對快速變化市場的敏捷響應(yīng)。

1 雙SCARA機器人結(jié)構(gòu)

雙SCARA機器人的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由4個連桿及其支架，三個電機及末端手爪組成。連桿之間，連桿與支架之間均為旋轉(zhuǎn)副連接。該機器人有三個自由度，可以實現(xiàn)平面上沿著兩個坐標(biāo)軸（X軸、Y軸）方向上的平動和繞著一個坐標(biāo)軸（Z軸）的轉(zhuǎn)動。需要指出的是，XY平面內(nèi)的平動是由該機器人機構(gòu)中的平面五桿機構(gòu)的運動來實現(xiàn)的，而末端抓手的轉(zhuǎn)動則是由軸3，通過安裝在連桿4上的一個電機來實現(xiàn)的。

2 仿真模型的建立

在UG中按照設(shè)計尺寸對雙SCARA機器人機構(gòu)進行了三維建模，再將UG軟件內(nèi)已經(jīng)裝配好的機器人系統(tǒng)模型導(dǎo)出為Parasolid格式文件，再導(dǎo)入到Recurdyn仿真軟件內(nèi)，作為基本模型。由于整個機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個關(guān)節(jié)內(nèi)部的運動也較復(fù)雜，如果做出完全理想的運動仿真需要相當(dāng)大的難度和運算量，而且本文構(gòu)建的虛擬樣機系統(tǒng)僅僅側(cè)重于對雙臂系統(tǒng)整體的運動學(xué)和動力學(xué)建模仿真分析，所以可以對關(guān)節(jié)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行一定的簡化，即采用Recurdyn仿真軟件的Boolean功能對關(guān)節(jié)內(nèi)部零部件進行了合并，將對應(yīng)的電機和關(guān)節(jié)軸視為一個整體來進行討論和分析。

建立和簡化模型結(jié)構(gòu)后，利用Recurdyn仿真軟件中Connectors模塊，根據(jù)各關(guān)節(jié)、連接件、連桿等部件之間的約束關(guān)系，添加約束副；再利用Motions模塊，模仿主動關(guān)節(jié)的電機輸出，建立關(guān)節(jié)驅(qū)動。在本文的面向雙SCARA機器人系統(tǒng)的仿真實驗中，設(shè)置三個主動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)速均為0.3rad/s。

3 仿真分析

本文的仿真實驗是對雙SCARA機器人進行虛動力學(xué)仿真和分析。該機器人共有6個關(guān)節(jié)，均為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，其中關(guān)節(jié)1，關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)6（對應(yīng)于軸1、軸2、軸3）為主動關(guān)節(jié)。動力學(xué)仿真實驗就是提供給這三個關(guān)節(jié)驅(qū)動，使機器人末端實現(xiàn)一定的位置和姿態(tài)的變化。

利用Recurdyn軟件中的仿真分析工具箱，設(shè)置 仿真時間為5s，仿真工作步數(shù)為500步。對雙SCARA機器人進行仿真計算，得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2為關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的驅(qū)動力矩變化曲線，圖3為關(guān)節(jié)6的驅(qū)動力矩變化曲線。兩個關(guān)節(jié)均為勻速運動，但是由于重力和轉(zhuǎn)動慣量變化的影響，所需要的驅(qū)動力矩在運動過程中是不斷的變化的。圖4為關(guān)節(jié)6的驅(qū)動力矩的變化曲線，很明顯，關(guān)節(jié)6所需的驅(qū)動力矩明顯小于關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的驅(qū)動力矩，這是因為關(guān)節(jié)6的運動僅僅收到末端連桿和手爪的影響。由各主動關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的曲線圖可以得到任意時刻各關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動力矩值，從而為機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計和控制系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對提出的雙SCARA并聯(lián)機器人機構(gòu)，搭建了冗余雙臂機器人系統(tǒng)的虛擬樣機。利用虛擬樣機系統(tǒng)，對雙SCARA并聯(lián)機器人的動力學(xué)分析問題進行虛擬樣機仿真分析，得到各個關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩曲線，從而為進一步控制和機構(gòu)優(yōu)化問題研究提供依據(jù)。

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基金項目：陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院基金項目（Gfy1725）

作者簡介：申浩宇（1986），男，講師，主要研究方向：機器人動力學(xué)及控制。