基于ADAMS的桁架式三自由度伺服机械手路径规划和仿真.docx
《装备制造技术》2018年第01期
基于ADAMS的桁架式三自由度伺服机械手路径规划和仿真
鲍仲辅，曾德江
（广东机电职业技术学院，广东广州510515）
摘要：针对运动规律要求不高的工况，可利用ADAMS动力学仿真技术快速解决机械手轨迹规划问题。以三自由度伺服机械手为对象，构建机械手仿真模型，通过给定机械手末端执行器运动轨迹为空间螺旋线，反求各关节运动参数，并对机械手工作性能做出合理分析。
关键词：数字仿真；桁架式三自由度机械手；路径规划
中图分类号：TK16Q027.3
文章标识码：A
0前言
桁架式三自由度伺服机械手通常以伺服电机为动力元件，以滚珠丝杠、同步带、齿条机构等直线模组为主要传动形式，精度要求不高的场合可以气缸代替，机械手基体多为金属型材构成的桁架式结构。此类机械手一般多为三个轴向移动自由度，或两个移动和一个转动，可实施上下料、移栽、码垛、焊接、点胶D打印等多种工作。这种机械手体积较大，但是结构简单，便于控制，对工作环境要求不高，具有良好的性价比，因此在制造类企业中有广泛的应用。672-545
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X
文章编号：1（2018）01-0035-04
线运动，通常标记为X轴，也称为横行机构。手臂在肩部上也可以水平直线运动，通常记为Y轴，也称为引拔机构。手臂自身可以在垂直方向直线运动，通常记为Z轴，主要结构如图1所示。该机械手的X轴因需承载另外两轴方向的结构件和工件，惯性载荷较大，所以多选择稳定性较强的滚珠丝杠作为动力传动元件。Y轴惯性载荷较小，同时需要有较快速的响应性能，以同步带进行传动。Z轴直接连接执行元件，需要有较高的稳定性和定位精度，采用齿条机构进行传动。为保证结构稳定和传动准确，每个自由度均需配有直线导轨加以导向，其中X和Y轴均采用导轨固定滑块移动的安装形式，而Z轴由于空间局限，则采用滑块固定，导轨移动的安装形式。
机械手在使用过程中最常见的问题就是运动规划，也就是根据需要的动作路径和运动参数求出运动输入规律，即动力学反问题。常用的解决办法就是基于DH坐标系构建机械手的坐标体系，通过矩阵变换求解，计算过程较为复杂[1]。基于机械数字仿真技术，可探索解决机械手轨迹规划的新思路和途径，如天津大学梅江平等人基于仿真对并联机械手动态特性展开分析[2]。本文基于ADAMS动力学分析软件，以一款桁架式三自由度伺服机械手空间螺旋线匀速路径规划问题为例，采用虚拟仿真实现求解。Z向电机臂向电机
Z向电机
臂
向电机
肩部
Y向电机
基座
图1机械手结构
1机械手结构分析
桁架式三自由度伺服机械手一般分为基座、肩部和手臂三个部分，其中肩部在基座上可以水平直
收稿日期：2017-10-29
基金项目：广东省高职教育品牌专业建设项目（2016gzpp039）；广东机电职业技术学院自然科学项目（YJL2017-05）
作者简介：鲍仲辅（1984-），男，安徽合肥人，硕士，讲师，研究方向：机械现代设计方法与数值仿真技术。
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3EquipmentManufacturingTechnologyNo.01，2018
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2机械手轨迹规划原理
2.1基于DH坐标系求解关节直线位移
基于DH法构建机械手坐标系[3]，如图2所示。z
Y轴因采用齿轮和齿条传动，因此电机输出转数n3与手臂线性位移d3有以下关系：
d3=n·mz（10）
其中m是齿轮和齿条的模数，为5mm为齿轮齿数，为20.
Oy3基于ADAMS的仿真分析
图2机械手坐
图2机械手坐标系
z
d
x
d
O
d
y
x
O
y
x
x
Oy
z
z
i-1
i-1
以Ai表示i坐标到i-1坐标系下的转换矩阵，
则各坐标系直线的转换矩阵如下：
A1（0，d1，0）Rx，-90）（1）=Rra
=Rran
s
A2=Rran（d2，0，0）Ry，90）（2）s
s
A3（0，-d3，0）Rx，90）（3）=Rrans3
=Rran
s
3.1机械手数字建模
ADAMS是机械运动学和动力学分析的有效工具，由于其三维建模功能较弱，因此先在solidworks中建模再导入ADAMS中。再按照机械运动类型添加构件之间的运动副，为减少计算量省略所有联接类零件，无相对运动的零件均采取“FixedJoint”配合，最终样机如图3所示。
图3
基于ADAMS构建机械手数字样机模型
T3=A1A2A3（4）
将工作轨迹的动点q坐标建在机械手末端执行器参考原点O3，则q点在O3