基于SolidWorks和ADMAS的六自由度機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究*

夏 偉,張 妍

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在工業(yè)4.0背景下，智能制造技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)械臂作為智能工廠的典型裝備廣泛應(yīng)用于裝配、焊接、噴涂和搬運(yùn)等復(fù)雜生產(chǎn)過程中，貫穿工業(yè)自動化智能化生產(chǎn)的全過程[1]。通過機(jī)械臂仿真可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的“虛-實(shí)”轉(zhuǎn)換，為機(jī)器人軌跡規(guī)劃和智能控制提供有效驗(yàn)證。

匡毅[2]等搭建機(jī)械臂仿真模型，驗(yàn)證了自適應(yīng)模糊PID控制效果較傳統(tǒng)PID算法的優(yōu)越性。文獻(xiàn)[3-5]基于Sim Mechanics工具箱仿真機(jī)器人工作過程，其中文獻(xiàn)[3]建立庫卡機(jī)械臂模塊化模型仿真末端實(shí)時軌跡，實(shí)驗(yàn)證明建模合理實(shí)用；文獻(xiàn)[4]通過仿真有效地獲取到機(jī)械手的運(yùn)動參數(shù)，根據(jù)參數(shù)控制機(jī)械手執(zhí)行預(yù)期軌跡；文獻(xiàn)[5]建立六自由度并聯(lián)平臺物理模型，仿真運(yùn)動軌跡，減免數(shù)學(xué)模型建立和程序編寫的復(fù)雜過程。由此可見仿真分析簡便直觀，可為機(jī)構(gòu)的設(shè)計、優(yōu)化與運(yùn)動控制等提供參考。

劉澤宇等[6]建立機(jī)械臂的SolidWorks和ADAMS聯(lián)合仿真模型進(jìn)行動力學(xué)分析，得到了各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速與力矩的關(guān)系，為電機(jī)的選型提供了依據(jù)。陳繼朋等[7]應(yīng)用ADMAS進(jìn)行機(jī)械臂動力特性分析，根據(jù)醫(yī)用機(jī)械臂末端質(zhì)心偏差為后期醫(yī)用機(jī)械臂運(yùn)動控制和位置補(bǔ)償提供依據(jù)。姜迪開等[8]基于機(jī)械臂的SimulinkADAMS聯(lián)合仿真模型，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂控制系統(tǒng)與機(jī)械構(gòu)型的協(xié)同優(yōu)化，提高了機(jī)器人的重復(fù)定位精度。仿真分析是實(shí)現(xiàn)理論研究的成果化驗(yàn)證，對實(shí)現(xiàn)精確軌跡跟蹤控制、誤差補(bǔ)償和系統(tǒng)優(yōu)化有著重要意義。

本文基于SolidWorks和ADMAS軟件建立多功能機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)模型和仿真模型，在ADMAS中設(shè)計拾放軌跡，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂在虛擬空間中的任務(wù)規(guī)劃。并搭建實(shí)驗(yàn)平臺，基于MOTOMAN機(jī)械臂設(shè)計拾放實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明實(shí)體機(jī)械臂在真實(shí)場景中能夠準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)仿真軌跡，可為后續(xù)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃及智能控制提供依據(jù)。

1 六自由度機(jī)械臂模型建立

多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕組成，共有六個自由度，均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，即1軸為基座回轉(zhuǎn)運(yùn)動、2軸為上臂傾動、3軸為下臂傾動、4軸為手臂橫擺、5軸為手腕俯仰、6軸為手腕回轉(zhuǎn)。多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，對應(yīng)的相關(guān)參數(shù)見表1。

圖1 多功能機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

表1 多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關(guān)參數(shù)

在實(shí)體建模上，SolidWorks軟件采用參數(shù)化和特征造型技術(shù)進(jìn)行建模，產(chǎn)品的設(shè)計可以通過其基本功能方便快捷地創(chuàng)建和修改。本文利用SolidWorks三維軟件來建立六自由度機(jī)械臂模型，并且進(jìn)行了裝配。六自度機(jī)械臂模型如圖2所示。采用SolidWorks軟件建立的模型完成后，將其導(dǎo)入ADMAS軟件中，為后續(xù)虛擬樣機(jī)仿真建立良好的基礎(chǔ)。

2 基于ADMAS的虛擬樣機(jī)模型建立

ADMAS/VIEW集建模與仿真功能于一體，能夠?qū)C(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真以及優(yōu)化分析等，其本身帶有大量建模軟件的接口模塊，可以將建好的三維模型通過ADAMS/VIEW的接口模塊導(dǎo)入，然后對所建模型進(jìn)行屬性設(shè)置、約束添加并進(jìn)行仿真。

2.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

對于導(dǎo)入的六自由度機(jī)械臂SolidWorks模型，重力設(shè)置為沿y軸的負(fù)方向，即豎直向下；質(zhì)量單位設(shè)置為千克(kg)、力的單位設(shè)置為牛頓(N)、長度單位設(shè)置為毫米(mm)、時間單位設(shè)置為秒(s)、角度單位設(shè)置為度(deg)。六自由度機(jī)械臂虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖2 六自度機(jī)械臂模型 圖3 六自由度機(jī)械臂虛擬樣機(jī)模型

2.2 機(jī)器人拾取軌跡仿真

對導(dǎo)入的虛擬樣機(jī)模型添加約束和驅(qū)動后，在ADMAS中可通過設(shè)置不同驅(qū)動參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同軌跡。根據(jù)機(jī)械臂關(guān)節(jié)參數(shù)，通過調(diào)用STEP函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)不同電機(jī)的工作狀態(tài)，進(jìn)而完成預(yù)設(shè)軌跡。本文通過虛擬樣機(jī)模擬機(jī)器人拾取-放置-回零過程的軌跡狀況。STEP函數(shù)的調(diào)用格式如下：

STEP (C,C0,Y0,C1,Y1)

其中：C為時間，是自變量；C0為時間的初始值；C1為時間的終止值；Y0為角位移初始值，是因變量；Y1為角位移終止值。

完成拾放軌跡需要對關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2及關(guān)節(jié)3電機(jī)添加驅(qū)動函數(shù)。對3個關(guān)節(jié)的不同時刻添加驅(qū)動函數(shù)以實(shí)現(xiàn)拾放軌跡，分步運(yùn)動通過函數(shù)中的始末時間進(jìn)行控制。完成拾放軌跡的電機(jī)運(yùn)行步驟為：關(guān)節(jié)2—關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3聯(lián)動—關(guān)節(jié)1—關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)1聯(lián)動。

在MOTION2下創(chuàng)建驅(qū)動對話框，設(shè)置驅(qū)動函數(shù)如下：

STEP(time,0,0,10,-40d)+STEP(time,10,0,15,0d)+STEP(time,15,0,25,-40d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,40d)

可以通過Plot平移驅(qū)動對話框展示驅(qū)動曲線。同樣，對MOTION1用STEP函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可使其在預(yù)設(shè)時間運(yùn)動相應(yīng)速度、時間、位移。STEP函數(shù)如下：

STEP(time,25,0,30,0d)+STEP(time,30,0,40,50d)+STEP(time,40,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,-50d)

對MOTION3用STEP函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可使其在預(yù)設(shè)時間運(yùn)動相應(yīng)速度、時間、位移。STEP函數(shù)如下：

STEP(time,15,0,25,-30d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0d)+STEP(time,45,0,55,30d)

完成電機(jī)驅(qū)動設(shè)置后，點(diǎn)擊simulation進(jìn)行軌跡仿真。設(shè)置結(jié)束時間為60 s，步驟為1 000，點(diǎn)擊運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)拾取軌跡。機(jī)械臂末端執(zhí)行器在0～60 s內(nèi)的合位移曲線如圖4所示,X、Y、Z三方向位移曲線如圖5所示。

圖4 機(jī)械臂末端執(zhí)行器0～60 s內(nèi)的位移曲線

圖5 機(jī)械臂末端執(zhí)行器X、Y、Z三方向位移曲線

由圖4、圖5可以看出：在0～15 s機(jī)械臂末端做Z方向平移運(yùn)動接近目標(biāo)物，15 s～25 s機(jī)械臂實(shí)施抓取物體，25 s～40 s機(jī)械臂將物體放置在目標(biāo)位置，在40 s時末端位移達(dá)到最大，40 s～60 s機(jī)械臂返回零點(diǎn)；整個拾取-放置-回零過程中機(jī)械臂軌跡光滑波動幅度小，拾放過程平穩(wěn)無沖擊。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺

搭建的實(shí)驗(yàn)平臺如圖6所示。以多功能機(jī)器人MOTOMAN-HP0020D-A00為機(jī)器人本體，配備有伺服驅(qū)動單元、各類傳感器、計算機(jī)控制系統(tǒng)和A/D系統(tǒng)接口等。

圖6 搭建的實(shí)驗(yàn)平臺

3.2 軌跡測試實(shí)驗(yàn)

對多功能機(jī)器人MOTOMAN-HP0020D-A00完成一次拾放物體的實(shí)驗(yàn)。通過圖7控制程序界面編寫程序可以完成拾放軌跡實(shí)驗(yàn)。

圖7 機(jī)器人控制程序界面

采用多項式插值算法使機(jī)器人完成從起始點(diǎn)A抓取工件M放置到終止點(diǎn)B再返回零點(diǎn)的過程。機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)行過程關(guān)鍵位置如圖8所示。

圖8 機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)行過程

4 結(jié)語

針對MOTOMAN-HP0020D-A00六自由度機(jī)器人，在ADMAS中建立虛擬樣機(jī)模型，通過電機(jī)驅(qū)動函數(shù)STEP設(shè)置物體拾放軌跡，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂在虛擬空間中的任務(wù)規(guī)劃。仿真結(jié)果表明軌跡連續(xù)平滑，無沖擊。最后，在真實(shí)工作場景中搭建實(shí)驗(yàn)平臺，基于MOTOMAN機(jī)械臂設(shè)計拾取實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明實(shí)體機(jī)器人在真實(shí)場景中能夠準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)仿真的拾放軌跡，拾取過程平穩(wěn)有效。本研究實(shí)現(xiàn)了“虛-實(shí)”空間的轉(zhuǎn)換，為后續(xù)機(jī)器人軌跡規(guī)劃、機(jī)器人控制等研究提供了參考。