基于ADAMS的新型工业码垛机器人动力学仿真研究

摘要 在工业机器人的研究和设计过程中，机器人动力学系统的有关理论与应用技术一直是研究者关注的热点问题和重点内容，本文利用ADAMS仿真软件对机器人进行了动力学仿真，分析了相关问题，得出了有益结论。本文针对新型工业码垛

机器人的动力学分析所获得的方法和结论对于开展新型码垛工业机器人深入研究和优化设计具有参考价值和借鉴意义。

关键词 ADAMS；新型工业码垛机器人；动力学仿真研究

中图分类号 TP2 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0202-02

1 动力学仿真分析概述

机械系统动力学仿真分析技术首次出现于1980年前后，作为一门新兴技术，他最初被应用在汽车、铁路等领域中。Woongsang等译提高汽车的稳定性和控制能力为目标，记性汽车四轮定位系统研究。由此以前研究都是采用简化模型，实用二维结构或以自行车代替，测得的数据很不可靠。后来随着分析手段的提高，动力学仿真分析技术开始大量的应用于空间科学、石油、机器人等领域，NOEL通过在动力学分析软件中建立、分析和优化模型，得到了飞机起落架的动态性能。Arenz等针对goliath移动机器人模型，利用ADAMS、ANSYS和MATLAB三者联合进行了动力学分析，并针对goliath移动机器人控制算法进行了研究，然后在动力学仿真软件中加以检验。虽然目前动力学仿真分析技术的应用较为广泛，但在关节型机器人的机构在分析的应用却很少。

机器人是一个复杂的动力学系统，在关节驱动力矩（驱动力）的作用下产生运动变化，或与外载荷取得静力平衡。机器人动力学主要研究机器人机构的动力学问题。机器人机构包括机械结构和驱动装置，他是机器人的本体，也是机器人实现各种运动和操作任务的执行机构，亦是机器人系统中的被控制对象。对机器人动力学的研究，应该说，在机器人一出现就已经开始并且随机器人技术的发展而不断地加以丰富和积累。但比较系统和完整的机器人动力学，确实仅仅才开始形成。

由于仿真系统和实验目的的不同，应用动力学仿真技术的方法也有所区别。从机械结构这一角度出发，为研究系统的性能或改善系统结构，单独利用ADAMS软件即可解决大部分问题。

本研究主要利用ADAMS的通用建模功能，结合码垛机器人的特点，将动力学分析中的参数选择，求解作为仿真目标，然后对仿真结果进行分析，同时输入试验数据，并在后处理模块中得出仿真结果曲线，来进一步验证码垛机器人的虚拟样机的动力学机构是能够正常运行的。

2 码垛机器人虚拟样机模型的建立

本文中应用的新型工业码垛机器人的虚拟样机是利用inventor三维实体造型软件进行建模，另存为para solid格式，再导入到ADAMS中。笔者应用ADAMS/view模块对码垛机器人的187个实体造型零件进行组合和运算布尔，从而得到base（机座），support（机身）等19个整体部分，方便对其进行仿真分析。此外，在建模过程中或者建模结束后，还可以对其各部分的形体、质量、初始速度、初始位置和方向等进行更改，以便建模准确。笔者充分利用布尔运算功能建立机器人模型，虽然建模的工作量将大大增加，但构建的模型可以实现必要的参数化，并且施加约束、运动等非常方便。为便于分析计算，ADAMS中采用了变量设计技术来确定零件的尺寸和形状，零件、约束、力都可以用复杂的变量参数或表达式来描述。通过参数化建模，可以把参数值设置为设计变量。在分析过程中只需要改变样机模型中的有关参数值，程序就可以自动地更新整个样机模型。更进一步还可以根据预先设置的参数，自动地进行一系列的仿真分析，观察在不同参数下的样机的变化。初步建立好的模型如图1所示。

机器人模型建模包括建立几何模型、施加约束机构和建立驱动函数等。利用ADAMS进行建模，需要根据实际模型尺寸加以分析简化，建模及简化要遵循这样原则：

1）根据选用运动副的基本原则对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。

2）在不影响视觉效果的前提下，模型外形应尽量简化。

3）多个零件固结时，可以只用一个零件表示，以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。

4）在用ADAMS建模之前，必须对实际的机器模型进行简化。这样不仅可以节省大量的建模时间，也可以保证ADAMS的仿真及分析过程能够顺利进行。

3 动力学分析数据后处理

根据本课题的要求，主要对码垛机器人虚拟样机进行动力学仿真分析，主要研究其正向问题，因此，笔者对其设置两组参数，即在水平方向运动关节（下文称为关节1），竖直方向运动关节（下文称为关节2），机身绕机座旋转关节（下文称为关节3），等三个关节处添加常数力矩和正弦力矩。分别输入两组力矩，得出末端执行器—手抓的位移，速度以及加速度的变换曲线，并比较两组曲线；再输出关节1，2，3的角速度和角加速度变换曲线并比较。

基于adams码垛机器人虚拟样机中，所添加的三个力矩的参数设置如图2，图3，图4所示：

分别在常数力矩和正弦力矩的作用下，关节1处角速度，角加速度后处理结果曲线图如图5所示：

分别在常数力矩和正弦力矩的作用下，关节1所带动的齿轮的角速度，角加速度后处理结果曲线图如图6所示：

通过上述几组后处理分析结果表面，笔者所研究的课题中基于ADAMS新型工业码垛机器人虚拟样机的动力学机构能够平稳运行。

4 结论

本文利用ADAMS软件对新型工业码垛机器人虚拟样机进行动力学仿真分析，在常数力矩和正弦力矩作用下，码垛机器人均运行平稳，说明码垛机器人具有良好的动力学特性以及动态响应

能力。

参考文献

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作者简介

曹少泳（1982—），江西九江人，讲师，硕士，北京理工大学珠海学院机械电子工程教研室主任，研究方向为新型智能化电器设备。

李思宇（1989—），河北唐山人，北京理工大学珠海学院机械电子工程专业2008级学生。