選矸機械臂剛?cè)狁詈蟿恿W分析

周志宏　彭金艷　李琳琳　楊勝兵

摘要：選矸機械臂的組成關(guān)節(jié)在進行作業(yè)活動時存在彈性形變的現(xiàn)象，會影響到其整個作業(yè)軌跡的位置精度和控制的實時性與準確性。針對所設計的4R選矸機械臂，首先建立其剛?cè)狁詈蟿恿W的理論模型，并在理論模型的基礎上通過使用CAD軟件SolidWorks與動力學仿真軟件ADAMS完成機械臂作業(yè)時的剛?cè)狁詈蟿恿W聯(lián)合仿真得到了其動態(tài)變形誤差數(shù)據(jù)。仿真表明機械臂末端的位移誤差在0.2～0.7 mm有規(guī)律的上下浮動，當機械臂末端位移到最低處時產(chǎn)生的位移誤差達到最大，且位移誤差每兩秒為一個變化周期，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制系統(tǒng)的設計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：選矸機械臂;剛?cè)狁詈?ADAMS;柔性關(guān)節(jié)

中圖分類號：TP242.2

文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）06-0168-04

Dynamic analysis of rigid-flexible coupling of waste manipulator

ZHOU Zhihong PENG Jinyan LI Linlin YANG Shengbing

（

1. Hunan Sanyi Industry Vocational and Technical College， Changsha 410129， China; 2. School of Automobile Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China

）

Abstract： The component joints of the gangue selection manipulator are elastically deformed during work activities， which will affect the position accuracy of the entire work trajectory and the real-time and accuracy of control. For the designed 4R gangue selection manipulator， firstly establish its rigid-flexible coupling dynamics theoretical model， and use CAD software SolidWorks and dynamics simulation software ADAMS on the basis of the theoretical model to complete the rigid-flexible coupling dynamics of the manipulator. The dynamic deformation error data is obtained by the joint simulation. The simulation shows that the displacement error of the end of the robotic arm fluctuates regularly between 0.2 and 0.7 mm. When the end of the robotic arm is displaced to the lowest point， the displacement error will reach the maximum， and the displacement error will change every two seconds. It provides a reference basis for subsequent structural optimization and control system design.

Key words：gangue selection manipulator; rigid-flexible coupling; ADAMS; flexible joints

選矸機械臂的組成連桿和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)都具有一定程度的柔性，在進行作業(yè)的時候會發(fā)生彈性變形，這嚴重影響到其整個運動軌跡的位置精度和控制的實時性與準確性[1]。侯小雨建立了將串聯(lián)機器人關(guān)節(jié)柔性考慮在內(nèi)的動力學模型研究了影響末端定位精度的因素[2];陳宵燕建立了一種包含幾何與柔性誤差的串聯(lián)機器人剛?cè)狁詈衔恢谜`差模型并提出了相應的精度提高策略[3]

本文針對所設計的4R選矸機械臂，通過ADAMS中的扭簧功能建立其剛性連桿-柔性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)對作業(yè)過程中的動態(tài)響應做了研究，通過對比柔性關(guān)節(jié)-剛性連桿模型和剛體模型的仿真數(shù)據(jù)得到了其運動變形誤差數(shù)據(jù)，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制系統(tǒng)的設計提供了參考依據(jù)。

1剛?cè)狁詈蟿恿W建模

1.1機械結(jié)構(gòu)設計

所設計的4R選矸機械臂主要由底座、旋轉(zhuǎn)平臺、大臂、肘關(guān)節(jié)、小臂、腕關(guān)節(jié)等主要部分組成且各個組件設置旋轉(zhuǎn)副進行連接。通過各個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)間的配合轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)機械臂一系列的動作。機械臂采用伺服電機驅(qū)動并將伺服電機及相關(guān)線路放置于機械臂內(nèi)部來提高空間利用率，且整機材料為7075鋁合金以保證滿足工作需求強度的前提下實現(xiàn)機械臂的輕量化，具體模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2剛?cè)狁詈蟿恿W建模

將4R選矸機械臂等效為軸4被視為末端負載的空間三連桿結(jié)構(gòu)進行剛性連桿-柔性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)剛?cè)狁詈蟿恿W研究，如圖2所示，O、x、y、z代表3個關(guān)節(jié)的坐標系;O、x、y、z代表組成連桿質(zhì)心的坐標系，其他的相關(guān)參數(shù)描述如表1所示。

基于Spong的簡化模型對關(guān)節(jié)進行簡化，將柔性關(guān)節(jié)等效為一個電機與彈簧的組合，如圖3所示。其中，θ代表第i個關(guān)節(jié)處電機的轉(zhuǎn)角;q代表第i個剛性連桿經(jīng)過彈簧變形后的連桿轉(zhuǎn)角;q代表第i個關(guān)節(jié)處電機通過減速器后輸出的轉(zhuǎn)角;N代表第 i個關(guān)節(jié)處電機的傳動比。

要想求得所設計的4R選矸機械臂系統(tǒng)的總動能，需要將以下3部分進行求解：轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處電機轉(zhuǎn)子的動能K、機械臂組成連桿的動能K和機械臂末端負載的動能K，表達式：

2機械臂剛體模型和柔性關(guān)節(jié)-剛性連桿模型的建立

2.1剛體模型的建立

在4R選矸機械臂的三維實體建模方面，ADAMS無法滿足其建模需求，因此需要借助專業(yè)的CAD軟件對機械臂進行建模，然后通過文件轉(zhuǎn)換接口導入ADAMS中進行分析。首先通過Solidworks對4R選矸機械臂主要運動部件的實體部分完成三維建模并另存為*.x_t格式的傳遞文件進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后導入ADAMS中，之后對導入的模型依次進行結(jié)構(gòu)簡化和質(zhì)量、材料和顏色等相關(guān)屬性的重新定義，最后在關(guān)節(jié)處分別添加轉(zhuǎn)動副并在對整機添加Y軸負方向重力加速度[7-9]。

此時需要利用ADAMS中tools/model verify命令對所建立的剛體模型進行檢查，并得到反饋模型相關(guān)信息的對話框。最后設置適當?shù)牟介L和仿真時間，檢驗模型在自身重力作用下所建立的模型是否正確，得到4R選矸機械臂的剛體模型。

2.2柔性關(guān)節(jié)-剛性連桿模型的建立

在ADAMS中構(gòu)建柔性關(guān)節(jié)的方法有兩種，本文通過添加扭轉(zhuǎn)彈簧的方式來構(gòu)建機械臂的柔性關(guān)節(jié)。由于在ADAMS中存在相對旋轉(zhuǎn)關(guān)系的兩個零件之間只能添加一個轉(zhuǎn)動副，所以需要在機械臂的組成連桿間構(gòu)建出一個虛擬圓盤。虛擬圓盤與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸輸入端用轉(zhuǎn)動副進行連接并添加驅(qū)動，使用轉(zhuǎn)動副將虛擬圓盤與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸輸出端進行連接并添加一個卷曲彈簧，通過卷曲彈簧帶動與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸輸出端相連的組成桿件轉(zhuǎn)動，具體如圖4所示。

3剛?cè)狁詈蟿恿W仿真

在機械臂實際運動過程中需要對其進行規(guī)劃，本文通過ADAMS對其機械臂每個關(guān)節(jié)進行運動規(guī)劃。在圖2中軸1、軸2和軸3此3處分別設定驅(qū)動，驅(qū)動函數(shù)分別為：

60dsin18dtime+90d-60d-15dsin180dtime-90d-15d15dsin180dtime-90d+15d

對關(guān)節(jié)處設置的卷曲彈簧根據(jù)電機算選的型號進行定義，在末端執(zhí)行機構(gòu)處設置一個MARKER 0點用作數(shù)據(jù)測量采集，將時間設定為10 s，步長（Step）設定為1 000步。對剛體模型和柔性關(guān)節(jié)-剛性連桿模型分別進行仿真，得到相對應的位移變化圖與位移誤差圖，具體如圖5、圖6所示。

從圖6可以看出，因為加速度的突然增大，導致在0～1 s開始時出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象;但是從位移誤差圖的整體趨勢圖來看，位移誤差在0.2～0.7 mm有規(guī)律的上下浮動。當機械臂位移到最低處時產(chǎn)生的位移誤差達到最大，且位移誤差每2 s為一個變化周期。

4結(jié)語

針對所設計的4R選矸機械臂，將轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的柔性因素考慮在內(nèi)建立其剛?cè)狁詈蟿恿W理論模型。通過使用CAD軟件SolidWorks與動力學仿真軟件ADAMS完成機械臂作業(yè)時的剛?cè)狁詈蟿恿W聯(lián)合仿真得到了其動態(tài)變形誤差數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，機械臂在作業(yè)時，位移誤差在0.2～0.7 mm有規(guī)律的上下浮動;當機械臂位移到最低處時產(chǎn)生的位移誤差達到最大，且位移誤差每2 s為一個變化周期。這為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制系統(tǒng)的設計提供了參考依據(jù)。

【參考文獻】

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