基于ADAMS的4-RUPaR高速搬运并联机器人轨迹规划与运动学仿真

作者:杨尹;顾寄南;郭林 刊名:工程设计学报 上传者:王哲

【摘要】由于并联机构的复杂性,通过理论计算分析机器人实际规划轨迹下的运动学性能是十分困难的.为了预测4-RUPaR高速搬运并联机器人机构在搬运轨迹下的运动学性能,在ADAMS中建立了并联机构的虚拟样机,对机构进行拾取放置轨迹规划和在规划轨迹下的正逆运动学仿真.通过分析仿真结果,预测机构在规划轨迹下的运动学性能指标,为机构优化设计、控制策略研究、规划轨迹优化和物理样机制造提供参考.仿真结果表明,规划轨迹设计合理,机构运动学性能良好.

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在实际应用中,多数工业机器人末端执行器并不需要具有6个自由度.例如,生产线上的物件搬运和自动分拣作业一般只需要3个移动自由度和1个转动自由度.四自由度并联机器人具有比六自由度并联机器人驱动副少、支链数目少、工作空间相对较大、结构相对简单和更易于控制等优点[1].四自由度高速并联机器人机构是四自由度并联机构中的特殊一类,它要求动平台具有3个移动自由度和1个转动自由度,并且机构尽可能结构对称.这一类并联机构逐渐成为机构学领域的研究热点,许多四自由度高速并联机器人已经投入到实际应用.瑞士洛桑理工学院Clavel教授在1985年发明的Delta型并联机器人[2],已成为并联机构应用最成功的例子.法国国家科学研究中心蒙彼利埃机器人实验室在19952005年,也相继研发出了H4[3],I4[4],I4R[5],Par4[6]等一系列四自由度对称高速并联机器人机构.4-RUPaR[7]并联机构是文献[7]提出的一种具有4个支链且支链含有平行四边形结构的对称并联机构.文献[7]首先根据螺旋理论分析了机构的自由度,再利用杆长约束条件求得了机构的位置正反解,进而对机构进行了速度和加速度分析.理论分析得出机构动平台具有4个自由度,自由度分布为3T1R,3T为空间三平移自由度,1R为绕竖直方向转动的自由度.本文将此3T1R对称并联机构应用于高速搬运机器人,对机器人进行搬运轨迹规划和规划轨迹下的运动仿真研究,分析机构在规划轨迹下的运动学性能.考虑到并联机构的复杂性,在制造机器人物理样机进行运动性能测试前,通过未对模型进行简化的理论计算分析规划轨迹是否合理、机器人在规划轨迹下的运动学性能如何是十分困难的.为了预测4-RUPaR高速并联搬运机器人在实际搬运作业时的运动学性能,借助ADAMS虚拟样机技术,构建机器人机构的虚拟样机,对机器人进行了ADAMS环境下的轨迹规划和规划轨迹下的正逆运动学仿真,以期为机构的结构优化、控制策略研究、规划轨迹优化和物理样机制造提供参考.1机构模型与自由度1.1机构模型4-RUPaR高速搬运并联机器人机构是一种少有的结构对称并联机构,它由4条支链组成,每条支链均为2个转动副R、1个胡克铰链U(可视为相互垂直的2个R副)和1个平行四边形4R机构(记为Pa副),4条支链连接定平台和动平台呈现对称布置,定平台为正方形结构,动平台为正方形或长方形结构.在ADAMS中建立并添加好运动约束的机器人虚拟样机如图1所示.模型尺寸如下:定平台转动副中心到定平台中心距离R1=330mm,动平台转动副中心到动平台中心距离R2=26mm,主动臂长度L1=260mm,从动臂长度L2=400mm.图2为4-RUPaR并联机构简图(为了作图简便,未画出支链从动臂中的平行四边形结构),下平台A1A2A3A4为定平台,定平台中心为O,上平台C1C2C3C4为动平台,动平台中心为P,AiBi为主动臂,BiCi为从动臂.机构模型中的坐标系说明如下:定坐标系原点位于定平台中心O,X轴和Y轴平行于定平台相邻的2个边,Z轴方向垂直于定平台;动平台坐标系原点位于动平台中心P,X轴和Y轴平行于动平台相邻的2个边,Z轴方向垂直于动平台.图14-RUPaR搬运机器人虚拟样机模型Fig.1Virtualprototypemodelofthe4-RUPaRhandlingrobot图24-RUPaR并联机构简图Fig.2Schematicdiagramofthe4-RUPaRparallelmechanism1.2自由度与主动副选取分析与验证在ADAMS中建立机器人虚拟样机,选定平台为机架以及添加相应

参考文献

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