CN112307578A - 一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，包括：建立工业机器人刚体模型；将刚体模型导入ADAMS，设定单位属性和材料属性；依据运动学模型建模方法，基于MATLAB机器人工具箱对机器人在关节空间进行轨迹规划，输出关节驱动函数；在ADAMS中添加运动副约束和关节驱动函数，进行运动学仿真；将关键部件导入ABAQUS，分配部件材料属性、创建分析步与约束条件，建立关键部件柔性化后的模态中性文件，作为柔性体部件；将柔性体部件替换刚体模型中的相应部件，生成工业机器人刚柔耦合模型，进行刚柔耦合模型动力学仿真。本发明便于综合研究机器人末端运动学和动力学参数的变化规律，节省仿真时间、提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及多体动力学仿真分析领域，尤其涉及一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法。
背景技术
工业机器人作为高端装备制造业发展的重点方向，朝着轻量化、柔性化、小型化、高速化方向发展。而具有柔性部件的工业机器人在高速运动时，会出现大范围刚性运动和弹性变形的相互耦合。其系统动力学特性将比传统的多刚体系统动力学更加复杂，具有强非线性、强耦合、时变的特点。因此，研究考虑刚柔耦合效应的工业机器人仿真分析具有重要价值。其应用场景涉及：航天器机械臂、工业机器人、高速机械等多个部件组成的多体系统。
对于多体系统的仿真分析，国内外学者进行了许多研究，也取得了不少成果：对于起重机、焊接机器人等大型机械的刚体仿真较多，大型机械具有较大的机构刚度和较低工作速度，实质上是属于多刚体动力学仿真范畴；对整机进行运动学仿真和静力分析的较多，实质上是假设机械系统为理想刚体，忽略了柔性部件的微小变形。传统的刚体模型描述的仅仅是理论模型，适用于大刚度的机构，不适合轻量化的工业机器人建模。因此，需要利用CAD/CAE联合仿真技术，对轻量化的工业机器人进行刚柔耦合仿真分析。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，得到高速工况下的关节机器人刚性运动和弹性变形之间相互耦合的刚柔耦合模型，便于仿真分析。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，包括：
步骤一：使用SolidWorks软件建立工业机器人的三维模型，去掉三维模型的细节设计特征，作为工业机器人刚体模型；
步骤二：将工业机器人刚体模型导入ADAMS虚拟样机分析软件，设定工业机器人刚体模型的单位属性和材料属性；
步骤三：依据工业机器人运动学模型建模方法，基于MATLAB机器人工具箱对工业机器人在关节空间进行轨迹规划，输出工业机器人刚体模型和刚柔耦合模型的关节驱动函数；
步骤四：在ADAMS中添加运动副约束和步骤三得到的关节驱动函数，进行工业机器人刚体模型的运动学仿真以验证工业机器人机器人刚体模型；
步骤五：将工业机器人的关键部件导入ABAQUS有限元软件，分配部件材料属性、创建分析步与约束条件，建立关键部件柔性化后的模态中性文件(*.MNF文件)，作为柔性体部件；
步骤六：将步骤五的柔性体部件替换机器人刚体模型中的相应部件，生成工业机器人刚柔耦合模型，进行刚柔耦合模型动力学仿真。
进一步的，所述步骤一中的工业机器人刚体模型包括工业机器人的基座、腰部、大臂、肩部、小臂、腕部和末端。
进一步的，所述步骤五中关键部件包括工业机器人的腰部、大臂、小臂。
进一步的，所述步骤三中工业机器人运动学模型，是根据D-H法则确定工业机器人的D-H连杆坐标系而建立的。
进一步的，所述步骤四中的验证刚体模型是基于ADAMS中刚体模型运动学仿真与MATLAB运动学模型，分别导出末端位移、速度和加速度的曲线图，以此验证特定工况下刚体模型的准确性。
本发明的有益效果：
1、本发明融合了ADAMS、ABAQUS和MATLAB软件的优点，对关节型机器人腰部、大臂和小臂柔性化，建立了刚柔耦合模型，获取机器人末端的参数规律，本发明主要用于工业机器人装配环境下的动态仿真分析，便于综合研究机器人末端运动学和动力学参数的变化规律，节省仿真时间、提高分析效率，得到更符合实际工况的仿真分析结果，为进一步关节型机器人末端规律研究、提高末端绝对定位精度提供了参考。
2、本发明不仅考虑了理想刚体系统下的运动学仿真，还考虑了关键部件的弹性变形，得到的仿真分析结果更符合实际工况。
附图说明
图1为根据本发明实施例的一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例的六自由度工业机器人模型；
图3为根据本发明实施例的D-H连杆坐标系示意图；
图4为根据本发明实施例的六自由度工业机器人的运动副示意图；
图5为根据本发明实施例的关节J2样条曲线函数Spline_2_J2。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受于下面公开的具体实施的限制。
请参阅图1，根据本发明实施例的一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，具体包括：
步骤一：使用SolidWorks软件建立工业机器人的三维模型，如图2所示，主要包括基座1、腰部2、大臂3、肩部4、小臂5、腕部6、末端7，该三维模型具有许多细节设计特征，如小的圆角特征等，而这些特征对于整体仿真分析的影响较小，同时为减小计算量和计算时间，只保留关键特征以简化模型，并将模型保存为Parasolid格式文件(*.X_T文件)，作为工业机器人刚体模型；
步骤二：将工业机器人刚体模型导入ADAMS虚拟样机分析软件，设定工业机器人刚体模型的单位属性和材料属性；
本实施例中定义单位属性为“MMKS”，即长度单位为毫米、质量单位为千克、力的单位为牛顿、时间单位为秒；设置模型的材料属性：密度为1.36E-06kg/mm3、杨氏模量为0.72E+05N/mm2、泊松比为0.32。
关节型机器人装配环境工况为，末端移动速度200mm/s，设机器人底座中心坐标为O(0,0,0)，机器人在初始位置时末端坐标为P1(360,0,610)，起点位置坐标P2(0,0,880)，终点位置坐标为P3(550,0,330)。第一阶段P1-P2：时长T1＝2.25s，第二阶段P2-P3：时长T2＝3.89s，总时长T＝6.14s。
步骤三：依据工业机器人运动学模型建模方法，在MATLAB环境下使用RoboticsToolbox机器人工具箱中的jtraj关节空间轨迹规划函数，编写关节型机器人末端轨迹规划程序，在确定关节型机器人的D-H连杆坐标系(如图3所示)后，对关节型机器人进行运动学建模，然后在关节空间进行机器人末端轨迹规划，获取机器人关节角位移，输出工业机器人刚体模型和刚柔耦合模型的关节驱动函数；
步骤四：在ADAMS中为关节型机器人添加约束，基座与地面之间为固定副，其余部件之间为旋转副，即基座-腰部-大臂-肩部-小臂-腕部-末端之间为旋转副(如图4所示)，利用Robotics Toolbox进行关节轨迹规划得到各个关节角位移，整理后在ADAMS中用DataElements建立腰部-大臂之间关节J2的样条曲线函数Spline_2_J2(如图5所示)，在旋转副上添加Motion Drive驱动，定义驱动函数为CUBSPL(time,0,SPLINE_2_J2,0)。同理，对其余5个旋转副添加驱动函数。设置ADAMS仿真条件：终止时间End Time为6.1s，步数Step为500步；然后根据ADAMS中刚体模型运动学仿真和MATLAB运动学模型，导出机器人末端位移、速度、加速度等运动学参数的曲线图，以验证刚体模型；
步骤五：将工业机器人的关键部件导入ABAQUS有限元软件，分配部件材料属性、创建分析步与约束条件，建立关键部件柔性化后的模态中性文件(*.MNF文件)，作为柔性体部件，具体如下：
将腰部、大臂、小臂3个关键部件保存为*.X_T文件格式后，导入ABAQUS软件，定义部件的密度为1.36E-06kg/mm3、杨氏模量为0.72E+05N/mm2、泊松比为0.32等材料属性并设置截面特性；
创建Frequency和Substructure两个模态分析步，对导入的模型设置Interaction中的两个接触点，以腰部模型为例创建两个RP点(0,0,0)和(0,0,-160)后，以两个RP点和相邻的面为对象创建MPC Constraints约束，类似蛛网单元，对模型Part使用Mesh工具划分网格，并分别创建关于RP点和Element单元的两个Set集合，即Set-1-Rppoints和Set-2-Elements，在Set-1-RPpoints集合上施加边界条件；
导出模型的*.INP文件，在INP文件中添加如下语句：
*ELEMENT MATRIX OUTPUT,MASS＝YES,STIFFNESS＝YES,ELSET＝Set-2-Elements
*FLEXIBLE BODY,TYPE＝ADAMS
*SUBSTRUCTURE MATRIX OUTPUT,STIFFNESS＝YES,MASS＝YES,RECOVERY＝YES
通过ABAQUS Command命令对上述修改后的INP文件进行计算，生成关键部件的模态中性文件(*.MNF文件)，作为柔性体部件。
步骤六：将ADAMS中刚体模型的相应关键部件通过Make Flexible功能替换为柔性体，生成刚柔耦合模型，并进行耦合模型的动力学仿真分析，通过ADAMS中的后处理模块查看仿真结果，机器人末端XYZ三个方向的位移曲线示意图。
本发明能够解决传统理想刚体模型不适合表达微小弹性变形的问题，针对轻量化关节型机器人实现刚性运动和弹性变形相互作用的耦合模型建立。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，其特征在于，包括：
步骤一：使用SolidWorks软件建立工业机器人的三维模型，去掉三维模型的细节设计特征，作为工业机器人刚体模型；
步骤二：将工业机器人刚体模型导入ADAMS虚拟样机分析软件，设定工业机器人刚体模型的单位属性和材料属性；
步骤三：依据工业机器人运动学模型建模方法，基于MATLAB机器人工具箱对工业机器人在关节空间进行轨迹规划，输出工业机器人刚体模型和刚柔耦合模型的关节驱动函数；
步骤四：在ADAMS中添加运动副约束和步骤三得到的关节驱动函数，进行工业机器人刚体模型的运动学仿真以验证工业机器人机器人刚体模型；
步骤五：将工业机器人的关键部件导入ABAQUS有限元软件，分配部件材料属性、创建分析步与约束条件，建立关键部件柔性化后的模态中性文件(*.MNF文件)，作为柔性体部件；
步骤六：将步骤五的柔性体部件替换机器人刚体模型中的相应部件，生成工业机器人刚柔耦合模型，进行刚柔耦合模型动力学仿真。
2.根据权利要求1所述的六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，其特征在于：所述步骤一中的工业机器人刚体模型包括工业机器人的基座、腰部、大臂、肩部、小臂、腕部和末端。
3.根据权利要求1所述的六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，其特征在于：所述步骤五中关键部件包括工业机器人的腰部、大臂、小臂。
4.根据权利要求1所述的六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，其特征在于：所述步骤三中工业机器人运动学模型，是根据D-H法则确定工业机器人的D-H连杆坐标系而建立的。
5.根据权利要求1所述的六自由度工业机器人刚柔耦合模型建模仿真方法，其特征在于：所述步骤四中的验证刚体模型是基于ADAMS中刚体模型运动学仿真与MATLAB运动学模型，分别导出末端位移、速度和加速度的曲线图，以此验证特定工况下刚体模型的准确性。
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