五自由度机械手动力学分析与仿真

五自由度机械手

第3 8卷第 2期Vl _8 NO. O 3 1 2

河

北

工

业

大

学

学

报

20 0 9年 4月Ap i20 rl 09

J OU RN AL F HEBEIUN I O VERSI TY F TECHN 0LO GY O

文章编号： 10—3 3(0 9 20 3.5 72 7 2 0 )0 .020 0

五自由度机械手动力学分析与仿真刘淑英，张明路，韩慧伶(河北工业大学机械工程学院，天津 3 0 3; . 1 0 10 2空军航空大学吭空机械工程系，吉林长春 10 2 ) 302

摘要

针对五自由度机械手，基于 L ga g arn e方程建立了五自由度机械手的动力学模型，通过 UG建立实体仿真

模型，利用 UG与 A MS良好的接口直接导入 AD DA AMS建立了虚拟样机，并且进行了动力学仿真，得出了各关节转角和关节力矩的关系曲线，分析了末端机械手速度对各关节力矩、角速度和角加速度的影响，这对提高机械手的设计性能、减少研发时间提供了帮助，并为机械手的控制分析打下了基础. 关键词五自由度；移动机械手；动力学；建模；仿真T 4 H2 1文献标识码 A 中图分类号

S u y a d S mu a i n o n m i so - t d n i lt f o Dy a c f DOF M a i u ao 5 n p lt rLI S u y ng, ZHAN G i g l HAN iln U h— i M n—u, Hu—i g( . co l f c aia E gn eig 1 S h o Mehncl n ier,Hee Unvri f eh oo y Yaj 0 10 C ia 2 De at n f rnui l o n b i iesyo T cn lg, ini 3 0 3, hn: . pr t n met Aeo at a o cadMeh ncl n ier g n ca i gnei,AiF re vao ies y inC ag h n 3 0 2,C ia aE n r oc it nUnvri,J i hn c u 10 2 A i t l hn)Ab t a t B s do eL g a g q a in t ed n mi d l f一 s r c a e nt a r n e u t, h y a cmo e o 5 DOFma i u ao si o ti e . T e e i lt n h e o n p lt r s b a n d h nt mu a i h s o mo e ih

s t p i dl wh c e UG x o t dt u n i e p re ADAM S h s tev r l r t tp sa l h d s o,T u, h i ua p o o y ei e tb i e .Ont eb s f h s t s s aeo tee h,

t he

d n mi i lt n o t ema i u ao n s e y u i gt ev r a p o o y ewh c s sa l h db y a csmu a i f h np lt r s i db s i u l r tt p o hwa tb i e yADAM S T e o if h i n h t e s . h

rl i uvs fon g n ji ru e dcd T ee et fh eoi fh np l o’S n ba e e t ncre jitn l ad on t q e r u e. h c o te l t o te ao o a e to a e f v cy ma i a r dioti d ut e s nt eeyon ru, n ua lcya g l cl a o . h s s d y e f r me e rh s n aa it s o vrji t q e a g l v o i,n ua a e rt n T ee t y to re t rc e i u ma b f d o l f e ei p bli ao s h pot d g c iea dr d cn es d e i d.Ath a me h u d t na ee t b ih df r h o to n l ss f h n p lt r n u i gt t yp r e h u o es me i,t e o n a i r sa l e ec n r l ay i t e t t f o s o t a o ma iu a o . Ke r s 5 DOF ma i ua o: d n mi s mo e: smu ai n ywo d -; n p lt r y a c: d 1 i lt o

0前言长期以来，机器人手臂的动力学分析一直是难以很好解决的问题，主要表现在数学建模复杂，运算量大，以实现实时控制等方面 .这样就限制了机器人的设计和应用性能，制约了精确的轨迹跟踪 .而难

动力学仿真软件的应用无疑对提高机器人的设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间提供了帮助，并为机械手的控制研究奠定了基础 .目前，机器人手臂的动力学建模有很多种方法，最为常见的有基于 L gag ar e方程的方法、K n

n ae方

法、旋转代数法和 N wo .ue方法等 .仿真软件也多种多样，如 A A、D D、D S O S .其 et El n r D MS A S IC O等中基于 L gag方程的建模方法以编程方便， ar e n可以直接与通用的商业软件如 A S S A A N Y、 D MS等对接而得到了广泛应用.而且它不涉及约束力，直接建立主动力与运动的关系，在机器人系统动力学特性的分析上有明显的优势圳 .

本文以 H b t1型移动机械手为基础，抛开移动平台， eu一 I把机械手 (自由度 )作为单独的研究目标，五 针对机械手的实际结构，将其简化成如图 1所示 .采用基于 L gag ar e方程的方法对其进行了动力学分 n析，同时利用 A A仿真软件进行了动态仿真，分析表明， D MS通过对一些相应参数的修改，可以达到较收稿 B期：2 0—22 0 90 .1

基金项目：国家 8 3 6计划 (0 6 0 Z 2 ) 20A 4 2 1;国家 8 3 6计划 (0 7 A 4 2 9 20A 0Z2)作者简介：刘淑英 (9 9) 16 .,女 (汉族 ),副教授 .

五自由度机械手

第2期

刘淑英，五自由度机械手动力学分析与仿真等：

好的设计和控制性能 .

1机械手动力学模型分析拉格朗日函数被定义为系统动能和势能P之差，即L=—P () 1

由拉格朗日函数 L所描述的系统动力学状态的拉格朗日方程为=

告器][ _器

图 1机械手结构简图Fi .1 T e c nf u a i n d a r m fma i u o g h o i r to i g a o g np t r

i 1 2…,/=,,//

式中：为连杆数目；q为广义坐标 ( m或 rd; a)

西为广义速度 (/或 rd )为作用在第i m s a/; s个坐标上的广义力 ( N或 N . m)11机械手系统动能 .

系统的动能为=

衅

1

…

j=lk =l

￣ (] q器 Ji m mi xz: … I 一

() 3

式中：为伪惯性矩阵，即有 I七I七I… 2Ii …

^

生

Im m 艺 m,

因此，连杆的机械手总的动能为

==Te q舞lJ∑ -a{=J÷ l 1_ c= ( - f 1 l 。 l _ -、 1 j￣ / r 1 k=

n

() 4

此外，连杆 i节传

动装的动能为关K: 1l qt l2 "

() 5

式中：为传动装置的等效转动惯量，k ;宣为关节i gm。 的角速度，rd . a/ s则机械手连杆系统关节的传动装置总动能为I I

:百-

厶

』口 " 2

() 6

f 1=

综上，即得到机械手系统 (包括传动装置 )的总动能为

一吉1=a[/+砉=娶喜r\ f= cV O=, e J j =1器 O 1 1七 T￣ =砉， r (,V{1÷I a /砉 _ 1 cV等}+f; e∑k I,∑=耋舞 = f∑耋 jT 0 ∑= t ￣埔= 1= a(J j+砉 cV甏 Ixr l,下l e V 1 m ∑T哥 a j . k f∑== =

2￣ l k1