CN110096829B - 一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，包括如下步骤：1）去除质量较小的零件单元，保留主要尺寸特征，重新建立简化的装配体模型。2）将简化的模型导入RecurDyn软件，定义固定、移动等约束。3）定义运动方程，设置动力学仿真参数，进行运动学仿真，验证机构间相对运动和约束的正确性。4）导入ANSYS软件进行网格划分，建立模态柔性体。5）将ANSYS导出的中性文件导入RecurDyn软件生成RFI文件，将辅助板和导轨在RecurDyn软件中转化为FFlex柔性体。定义导轨单元与滑块的接触行为，设置接触参数，进行动力学仿真。6）仿真结束后，查看机器人末端执行器运动偏差的仿真结果。

Description

一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法
技术领域
本发明属于多体动力学仿真分析领域，特别是涉及悬臂式直角坐标机器人的动力学仿真分析方法。
背景技术
现实中将直角坐标型机器人当作一个整体进行刚柔耦合的动力学仿真很少。为了节约研发成本，缩短研发时间，基于多体动力学对直角坐标型机器人进行整个系统地仿真分析尤为重要。本发明利用RecurDyn多体动力学软件，采用刚柔耦合方法，对悬臂式直角坐标机器人进行系统动态仿真，得到机器人末端执行器运动偏差的实验结果，为进一步结构优化设计提供参考。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中缺少直角坐标机器人系统的动力学仿真方法，提出一种面向悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，以减低研发成本、缩短研发周期、提高产品设计的质量、具备很高的经济效益。具体技术方案如下：
一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，包括以下具体步骤：
第一步：由于原模型存在很多较小的零件单元，其存在与否对仿真结果影响很小。因此，利用SolidWorks软件，在保留主要尺寸特征的前提下，重新建立简化的装配体模型，并保存为x_t格式。
第二步：将简化的模型文件导入RecurDyn软件，定义零件之间的固定、移动等约束，定义负载及其质量。由于本分析主要研究在沿长悬臂方向时，末端执行器的运动偏差，所以沿竖直方向上的两个悬臂梁不需要进行移动副约束，将其设置为固定约束。而后进行预仿真分析，将冗余约束采用bushing代替，bushing属性参数设置为e10。
第三步：本方法运动方程的定义数据来源于实际实验工况设置，电机加速度为3000mm/s2，最大速度为1600mm/s。使用RecurDyn软件Expression功能，采用step函数，定义机器人运动方程，并设置动力学仿真参数（End Time/Step/Plot Multiplier StepFactor）。其中， Step设置为800，Plot Multiplier Step Factor设置为5。
第四步：将长悬臂部分保存为x_t格式，导入ANSYS软件，在ANSYS软件中定义MASS21及SOLID185单元，并进行材料属型弹性模量、泊松比、密度设置。对长悬臂划分网格，局部网格细化，定义11个Nodes点，在Nodes点周围定义局部刚化区。然后，将定义的11个Nodes点设置为INTERFACE，设置求解参数，将模态阶数设置为10，生成中性文件。
第五步：将ANSYS导出的中性文件在RecurDyn软件中生成RFI文件，在RecurDyn软件中生成柔性体。在RecurDyn中使用FFlex模块将辅助板、导轨转化为柔性体，并重新拾取约束固定面。针对新生成的导轨柔性体，选择patch功能定义导轨接触面，定义导轨接触面与滑块的接触行为。接触方式选择Geo Surface，并设置接触参数，进行动力学仿真。
第六步：待仿真结束后，点击Result按钮查看机器人末端执行器运动偏差仿真结果。
本发明有益效果在于：
与现有传统的技术相比，本发明提出的面向悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真分析方法，具有下列益处：1）本发明将悬臂式直角坐标机器人当作整体系统，对机器人动态运动全过程进行动力学仿真，更接近机器人实际的工作情况，可以得到较好的仿真结果。2）本发明融合了RecurDyn和ANSYS两个软件的优点，将长悬臂、辅助板等关键零部件柔性化，快速建立整个机器人系统的刚柔耦合动力学模型，可以精确地预估末端执行器的运动精度。3）本发明为进一步的机器人结构和运动控制的优化设计提供参考，可以有效缩短研发周期，提高产品设计的质量，从而降低产品研发成本和风险。
附图说明
图1是本发明方法的流程图；
图2是本发明原始悬臂式直角坐标型机器人模型；
图3是本发明长悬臂组合模型；
图4是本发明导入RecurDyn软件后的简化模型与末端负载加载形式；
图5是本发明负载质量参数；
图6是本发明长悬臂移动速度-时间图；
图7是本发明运动函数及输出量；
图8 是本发明长悬臂ANSYS柔性体模型；
图9 是本发明辅助板FFlex柔性体模型；
图10是本发明导轨FFlex柔性体模型；
图11 是本发明刚柔耦合装配体模型；
图12 是本发明机器人末端执行器沿Y轴运动偏差示意图；
图13 是本发明机器人末端执行器沿Z轴运动偏差示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，包括以下具体步骤：
第一步：简化模型。利用SolidWorks软件，对原模型（图2）各部分尺寸进行测量，包括基座1、横臂2、长悬臂3、上臂4、下臂5，将模型中细小的零件单元如电机及相关辅助单元、螺栓、线路、传动装置等删除，保留主要尺寸特征及各部分相对位置，进行模型重建、装配。原模型在各移动轴存在6个滑块及两个导轨。为了减少计算量及消除冗余约束，本发明在长悬臂部分（图3）只保留两个滑块和一条导轨7，保证滑块、导轨7和长悬臂6的重心在一个平面内，将格式保存为x_t格式。
第二步：将简化后的模型导入RecurDyn软件，在导入的机器人模型末端新建一个球型负载（图4），定义固定、移动等约束，定义负载质量（图5）。对模型进行预分析，查看是否存在冗余约束。最终本发明存在19个固定约束、3个移动约束、14个bushing约束,两个GeoSurface接触。
第三步：定义机器人长悬臂的运动方程，数据来源于实际实验工况设置，电机加速度为3000mm/s2，最大速度为1600mm/s。如图4所示，在最大位移处的长悬臂，先以恒定加速度3000mm/s2沿X轴正方向加速0.53s，然后匀速运动1.1s，再以恒定加速度-3000mm/s2减速0.53s，运动停止，最后悬停0.3s。而后长悬臂开始沿X轴负方向运动，加速度大小、时间与长悬臂沿X正方向运动一致。经过整个运动过程后（图6），长悬臂回到初始位置。使用RecurDyn软件的Expression功能，采用step函数，定义机器人运动方程及设置结果输出（图7）。设置动力学仿真参数（End Time/Step/Plot Multiplier Step Factor）。其中，Step设置为800，Plot Multiplier Step Factor设置为5。其他的使用默认参数，进行运动学仿真。
第四步：在RecurDyn软件中将长悬臂部分导出为x_t格式，并导入ANSYS软件，在ANSYS软件中定义MASS21及SOLID185单元，并进行材料属型弹性模量、泊松比、密度设置，对长悬臂划分网格。由于模型存在细小特征，要先设置细小特征部分的网格尺寸，而后设置其余部分网格尺寸。由于长悬臂与辅助板之间的连接方式为螺栓连接，所以在柔性体建模时，在螺栓连接孔处定义11个Nodes点（图8），并在Nodes周围定义局部刚化区。然后，将Nodes设置为INTERFACE，将模态阶数设置为10，建立模态柔性体（图8）。最后，读取宏文件进行计算，结果将在文件夹内生成 .cm.rst.mp.emat类型文件。
第五步：在RecurDyn软件读取上一步生成的中性文件，使用MakeRFI功能生成RFI文件，使用ImportRFI将长悬臂转化为柔性体，使用Strain Stress Shape Generation功能生成应力云相关信息。在RecurDyn软件中使用FFlex功能将辅助板8（图9）、导轨7（图10）转化为柔性体。在生成FFlex柔性体过程中，所选择的连接面为螺栓孔面。对于导轨柔性体，选择patch功能定义导轨接触面，定义导轨接触面与滑块的接触方式为Geo Surface,并设置接触参数，然后对刚柔耦合模型（图11）进行动力学仿真。由于存在柔性体，将仿真模块中Parameter界面的Maximum Time Step参数更改为1e-003 。
第六步：待仿真结束后，在Analysis界面点击Result按钮查看末端执行器运动偏差仿真结果（图12、图13）。
仿真效果：通过对悬臂式直角坐标机器人末端执行器的Y、Z方向的位移采集（图12、图13），可以看出在长悬臂最大位移附近，机器人末端执行器的Y方向和Z方向运动偏差较大，与实际工况下末端执行器在最大位移处出现运动偏差现象基本相符。在整个运动循环中，位移偏移趋势呈一定的对称形式，仿真结果较好。

Claims (6)

1.一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步：保留基座（1）、横臂（2）、长悬臂（3）、上臂（4）、下臂（5）的尺寸特征，重新建立简化的装配体模型；
第二步：将简化的模型导入RecurDyn软件，定义固定、移动这些约束；
第三步：定义运动方程，设置动力学仿真参数，进行运动学仿真；
第四步：将长悬臂部分保存为x_t格式，导入ANSYS软件进行网格划分，建立模态柔性体；
第五步：将ANSYS软件导出的中性文件导入到RecurDyn软件生成RFI文件，将辅助板、导轨分别转化为FFlex柔性体，定义导轨单元与滑块的接触行为，设置接触参数，进行动力学仿真；
第六步：仿真结束后，查看末端执行器运动偏差的仿真结果；
其中，第四步具体包括：长悬臂与辅助板之间的连接方式为螺栓连接，在柔性体建模时，在螺栓连接孔处定义多个Nodes点，并在Nodes周围定义局部刚化区，建立模态柔性体。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于：ANSYS软件进行有限元柔性体建模包括：长悬臂、辅助板、导轨。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于：建模模型中的零件材料属性为基座部分Q235，及其他部分的钣金材料DC01。
4.根据权利要求1或2所述的一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于：进行有限元建模时，长悬臂转化为模态柔性体，辅助板、导轨转化为FFlex柔性体。
5.根据权利要求1或2所述的一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于：进行有限元建模时，弹性模量设置为2E11、泊松比0.3、密度7850。
6.根据权利要求1所述的一种悬臂式直角坐标机器人的刚柔耦合动力学仿真方法，其特征在于：在生成柔性体后，接触方式选择为Geo Surface。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110633509A (zh) * 2019-08-26 2019-12-31 浙江大学 基于moga算法的直角坐标机器人悬臂优化仿真方法
CN112307578A (zh) * 2020-10-15 2021-02-02 江苏大学 一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法
CN114970006A (zh) * 2022-04-21 2022-08-30 哈尔滨工业大学 一种基于urdf的机器人动力学与控制通用仿真方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104965963A (zh) * 2015-07-31 2015-10-07 桂林电子科技大学 一种刚柔耦合模型的参数化建模方法
CN106650026A (zh) * 2016-11-24 2017-05-10 浙江大学 一种面向三维打印的自支撑结构设计方法
CN107103131A (zh) * 2017-04-20 2017-08-29 华中科技大学 一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法
CN108182330A (zh) * 2018-01-15 2018-06-19 南京理工大学 一种基于b样条计算柔性矩形薄板刚柔耦合动力学响应的方法

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5854695B2 (ja) * 2010-09-22 2016-02-09 キヤノン株式会社 ロボット装置の制御方法及びロボット装置
US9566758B2 (en) * 2010-10-19 2017-02-14 Massachusetts Institute Of Technology Digital flexural materials

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104965963A (zh) * 2015-07-31 2015-10-07 桂林电子科技大学 一种刚柔耦合模型的参数化建模方法
CN106650026A (zh) * 2016-11-24 2017-05-10 浙江大学 一种面向三维打印的自支撑结构设计方法
CN107103131A (zh) * 2017-04-20 2017-08-29 华中科技大学 一种基于Simulink平台的刚柔耦合动力学建模方法
CN108182330A (zh) * 2018-01-15 2018-06-19 南京理工大学 一种基于b样条计算柔性矩形薄板刚柔耦合动力学响应的方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Adaptive robust neural control of a two-manipulator system holding a rigid object with inaccurate base frame parameters;Fan XU ET AL.;《Frontiers of Information Technology & Electronic Engineering》;20181231;第1316-1327页 *
MBD for ANSYS及RecurDyn典型应用举例;xiaojuan;《https://www.fangzhenxiu.com/post/7816》;20181228;第1-10页 *
前后大臂偏置式七自由度工业机器人本体设计与仿真优化;陈勉;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士) 信息科技辑》;20160615;第I140-166页 *

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