Delta并联机器人刚柔耦合仿真分析

秦博东,章摇林,张摇悦,商德勇

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京100083)

摘摇要:为了提高Delta并联机器人在负载较大且高速拾取目标样本时的运动精度,对机器人进行刚柔耦合分析,以求减少运动误差。通过Solidworks对Delta并联机器人三维建模并简化,Matlab对并联机器人末端轨迹进行规划,反解得到机器人运动过程中主动杆的角位移变化,ANSYS对从动杆柔性化导入ADAMS中进行联合仿真,在不同负载条件下观察分析机器人末端误差和运动过程中柔性杆的变形,可以得出随着负载的增加机器人末端误差加大,并且运动过程中杆件误差随时间叠加,这为寻找解决定位误差的方法提供了参考。关键词:Delta并联机器人摇刚柔耦合摇动力学摇仿真

中图分类号:TP24摇摇摇摇摇文献标识码:A摇摇摇摇摇文章编号:1002-6886(2019)03-0001-04

JointsimulationanalysisofrigidflexiblecouplingofDeltaparallelrobot

QINBodong,ZHANGLin,ZHANGYue,SHANGDeyong

Abstract:InordertoimprovethemotionprecisionoftheDeltaparallelrobotinpickingupthetargetsampleswithlargeloadandhighspeed,itisofgreatsignificancetocarryoutrigidflexiblecouplinganalysisinordertoreducethemotionerror.TheDeltaparallelrobotismodeledandsimplifiedbySolidworks.Matlabisusedtoplantheendtrajectoryoftheparallelrobot.Theinversesolutionisusedtogetthechangeoftheangulardisplacementoftheactiverodduringthemotionoftherobot.

ANSYSisusedforjointsimulationoftheflexibleinputofthedrivenrodintoADAMS,andtheenderroroftherobotisob鄄servedandanalyzedunderdifferentnegativeloadconditions.Aswellasthedeformationoftheflexiblerodduringthemove鄄withtimeduringthemovement,whichprovidesareferenceforfindingthemethodtosolvethepositioningerror.Keywords:Deltaparallelrobot,rigidflexiblecoupling,dynamics,simulation

ment,theerroroftheendoftherobotcanbeincreasedwiththeincreaseoftheload,andtheerroroftherodissuperimposed

0摇引言

从动杆组成,通常具有3~4个自由度,可以实现工作空间的XYZ方向的平移以及绕Z轴的旋转运动[1]。由R.Clave博士发明的3自由度空间平移Delta并联机器人是经典的并联机器人,近几年国外研究机构如法国的LIRMM-CNRS实验室、瑞士的EPFL大学、以及ABB、Fanuc等对于并联机构的结

Delta并联机器人由静平台、动平台、主动杆和

取、装配。

目前市场上的Delta机器人从动杆采用质量轻的碳纤维细长杆件制作,在进行轨迹规划过程中尤其是在高速、载荷较大的场合,如当作刚体分析将会产生一定精度误差。本文通过ANSYS和ADAMS软件进行联合仿真对Delta并联机器人进行刚柔耦合分析,利用ANSYS软件对目标连杆进行柔性化、划分网格并生成MNF模态中性文件,导入ADAMS中替换原来的刚性从动杆。通过位置反解得到的三个驱动角位移作为输入,实现并联机器人刚柔耦合动力学仿真。通过比较连杆柔性化后在不同载荷下的定位误差,为提高机器人控制定位精度提供途径。

·1·

构优化问题展开了广泛研究。其驱动电动机固定安装,大大减少了机器人运动过程中的惯量,实现了快速运动,配置视觉系统后能够智能识别、检测物体,主要应用于食品、药品和电子产品等快速分拣、抓

1摇机器人的组成及模型的建立

Delta本文分析的

部分构件尺寸参数并联机器人各如表works1,Delta三维模并联机器人的软利用件建Solid鄄立型,如图1。

目前市面上该类尺寸型号的机器人最大有效载荷一般不摇图1摇SolidWorks中的三维模型

超过15kg。表1摇

机器人尺寸参数

构件参数动平台半径

静平台半径

主动杆从动杆尺寸

/45

mm/160

mm/320

mm/800

mm将建立的三维模型保存成.x_t格式。在该模型当中,Delta并联机器人处于工作前的初始位置,即三个主动杆皆处于水平状态。

2摇基于Matlab的机器人轨迹规划

并联机器人末端采用门字型运动轨迹,如图2所示。利用文献[2]当中所给出的轨迹优化方法。由三维模型的Delta并联机器人中各构件的尺寸参数,可以得到并联机器人动平台的轨迹优化方程,通过文献[3]中的并联机器人运动位置逆解公式可以得到3个主动杆各自的角位移,并保存为.txt格式。

图2摇机器人末端运行轨迹

3摇Delta并联机器人刚体运动学分析

在ADAMS中导入已保存为.x_t格式的三维模

·2·

型,将各构件材料定义为45钢,并设定每一个关节的连接方式,将机器人的静平台固定,静平台与主动杆之间分别用3个转动副连接,主动杆与从动杆之间分别用6个虎克铰连接,从动杆与动平台之间分别用6个球面副连接。在三个主动杆与静平台之间的转动副上分别添加Matlab轨迹规划得到的电机转动角位移规律,点击ModelVerify选项进行模型验证,显示自由度为零,无过约束方程,模型验证正确。仿真运行,获得末端平台轨迹曲线,如图3。

图3摇刚性模型末端轨迹

4摇Delta并联机器人刚柔耦合动力学分析

静、动平台与转动关节可以看做刚性元件,忽略其运动过程中的弹性变形。参考文献[5-6]可知从动臂对并联机器人的末端定位精度影响最大,所以选择对其进行柔性化处理。4.1摇虚拟样机的建立

在ANSYS软件导入需要柔性化的6根从动杆的三维模型,定义材料属性为碳纤维,设置材料密度为1740kg·m-3103,泊松比为0郾连接处设定主节点和从节点并创建刚性区域MPa。使用solid45将从动杆划分网格307,杨氏模量为,在关节2郾2伊,得到模型如图4所示,再将处理好的从动杆转换为模态中性文件MNF。在ADAMS中导入生成的MNF文件,并定义好关节连接方式,将机器人的静平台固定,静平台与主动杆之间分别用3个转动副连接,主

动杆与从动杆之间分别用6个虎克铰连接,从动杆与动平台之间分别用6个球面副连接,并参考文献[8-9]合动力学模型得到如图。

5所示的Delta并联机器人刚柔耦4摇ANSYS中的柔性摇摇图5摇ADAMS中的刚柔耦合模型摇摇摇杆模型

4.2摇施加载荷和驱动

摇导入摇将ADAMSMatlab并生成样条曲线轨迹规划得到的电机转动角度数据SPLINE_1、SPLINE_2和SPLINE_3。用AKISPL函数对三条曲线做数据拟合。将其作为主动臂驱动函数添加到三个主动杆与静平台之间的转动副上。设置仿真时间和步长,获得仿真结果。

由于需要研究负载载荷的变化对末端运动轨迹位置精度的影响,且该并联机器人的可承受最大载30荷为15kg,所以在动平台上分别施加大小为10N,

平台质N,50Control当中定义终止时间为心N,70并竖N,90直向下N,110的负N,130载0.压4s力N,150与在。在MatlabSimulationN通过动规划当中设定的时间保持一致,步数设定为200轨迹步。4.3摇仿真结果及对比分析

经仿真可知其轨迹与Matlab中仿真得到机器人末端轨迹大体相同,通过ADAMS后处理,可以得到机器人各个构件的运动参数,选择动平台的质点3作为特征点,依次提取X,Y,Z方向的分量,负载为

迹如图kg时刚柔耦合动力学模型仿真得出的末端运动轨6所示。将不同负载情况下的后处理结果保存为.tab格式,进行机器人末端轨迹定位误差分析,表X,Y,Z2为机器人在不同负载条件下动平台轨迹末端在载荷的增加三个方向上的误差,机器人末端轨迹在各个方向上的误差,由该表可以看出,随着均增大。图7为刚开始运动时各杆的受力形变图,其中颜色越深代表着形变越大,由图可知越靠近从动杆的两端形变越大。

图6摇3kg下的刚柔耦合模型末端轨迹

表2摇

不同负载下的末端误差

负载/kg

X方向误差13-0./滋m

Y方向误差/滋m

Z方向误差5-0.300000.-0./滋m

7-1.900000.00039-2.600000.03005-0.20000119

-3.300000.03919-1.5000013-3.100000.03997-1.0000015-4.800000.04076-1.40000-5.50000200000.04154-2.900000.0423304311-2.30000-3.80000300005摇结语

Solideworks

本文利用

Delta人进并行联对

简机化器建模,利用Matlab对机器人运动轨迹进行规划ANSYS。在从动杆进行柔性化处理软件中对

图7摇受力形变图

,并导入ADAMS软件进行刚柔耦合分析,通过分析不同负载情况下的末端轨迹,得出随着负载的增加机器人末端轨迹误差也随之增加的结论。通过分析从动杆的形变,发现杆件两端处的形变量最大,在恶劣工作条件下如高速,高负载情况下,要着重考虑杆件柔性对机器人末端定位精度的影响,该结论可为并联机器人的误差补偿控制提供参考。

·3·

图基于扩展卡尔曼滤波的车辆参数辨识*

王摇杰

(浙江大学动力机械与车辆工程研究所人车自动化实验室,浙江杭州310027)

摘摇要:在车辆动力学控制中,动力学参数的准确性会严重影响车辆控制的安全性与稳定性,因此在对车辆进行动力学控制前必须对其动力学模型进行参数辨识。对车辆的纵向和侧向的动力学建模,考虑实际传感器的测量噪声与控制器计算频率,采用扩展卡尔曼滤波算法对纵向动力学参数整车质量和横向动力学参数前后轴等效侧偏刚度进行实时在线辨识。通过MATLAB/Simulink-CarSim联合仿真分析验证了扩展卡尔曼滤波算法对于参数辨识的有效性,得到了车辆质量、车辆等效前后轴侧偏刚度的在线辨识结果,并基于NI实时平台验证了算法的实时性。关键词:扩展卡尔曼滤波摇车辆动力学模型摇参数辨识摇整车质量摇侧偏刚度

中图分类号:U461.1摇摇摇摇摇文献标识码:A摇摇摇摇摇文章编号:1002-6886(2019)03-0004-06

VehicleparameteridentificationbasedonextendedKalmanfilter

WANGJie

Abstract:Invehicledynamiccontrol,theaccuracyofdynamicparameterswillseriouslyaffectthesafetyandstabilityofthevehicle,soitisnecessarytoidentifytheparametersofthevehicledynamicmodel.Inthispaper,basedonthelongitudinalandlateraldynamicmodelingofvehicle,consideringthemeasurednoiseofactualsensorandthecalculationfrequencyofcontroller,theextendedKalmanfilter(EKF)algorithmisusedtodoarealtimeonlineidentificationoftheparametersthatcontainsthemassoflongitudinaldynamicmodelandtheequivalentcorneringstiffnessoflateraldynamicmodel.Theextend鄄edKalmanfilteralgorithmforparameteridentificationisverifiedbyMATLAB/Simulink-CarSimjointsimulationanalysis.anceofthealgorithmisverifiedbasedonNIreal-timeplatform.

Theonlineidentificationresultsofvehiclemassandequivalentcorneringstiffnessareobtainedandthereal-timeperform鄄Keywords:extendedKalmanfilter,vehicledynamicmodel,parameteridentification,vehiclemass,corneringstiffness

施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施施

参考文献

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基金项目:大学生创新训练项目(C201704495)。

作者简介:秦博东(1998-),男,湖南省岳阳市人,本科,研究

方向为工业机器人技术。

收稿日期:2018-11-27