CN116627051A - 一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，属于机器人仿真技术领域。包括：分析设计要求，查询设计手册，计算尺寸参数、确定桁架机器人装配草图、进行运动算例仿真、定义各部分零件材料属性、设置约束及运动副、设计各运动驱动函数、分析结果曲线、对桁架机器人耦合模型进行振动分析、验证模型建立的正确性和可行性、多软件联合仿真验证和参考改进S函数轨迹的设计及跟踪验证以上步骤。本发明设计了改进型S函数曲线轨迹，并在虚拟空间中仿真不同工况下桁架机器人的预期路径，同时设计控制器来提高轨迹跟踪能力，为缩短机器人领域相关产品的设计研发周期、降低研发成本和提高生产节拍提供一种行之有效的研究方法。
Description
技术领域
本发明涉及机器人仿真技术领域，尤其是涉及一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法。
背景技术
随着时代的发展，智能化设备在工业领域中的应用越来越普遍。桁架机器人正是基于这个情况下诞生的产物，不但节省了大量的人工成本，还提升了生产效率，还为人类解决了不少大麻烦，一些风险高、强度大、工作单一而重复的事情，完全可以采用这样的高智能机器人完成，桁架机器人的出现解决了机械化与自动化之间的脱节问题。虚拟样机模型建立在对设备的机械系统、电气系统和液压多领域系统全面、综合、真实的描述能力的基础上，具备对物理设备全生命周期的映射能力，从而对设备的设计仿真和预测性维护提供有力的分析决策支持。
但现有研究中将桁架机器人当作整体系统来进行虚拟样机的建立、动力学仿真验证的方法较少。如何建立桁架机器人的虚拟样机模型，通过多领域的综合仿真和设备的性能衰减仿真，在物理样机制造之前对装备的性能进行测试和评估，改进其设计缺陷成了一个极具挑战性的问题。在虚拟空间中仿真不同工况下桁架机器人的预期路径，提高生产节拍，是一个极具经济价值的研究问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，用于解决桁架机器人当作整体系统来进行虚拟样机的建立、动力学仿真验证的方法较少的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，包括以下步骤：
S1、分析设计要求，查询设计手册，计算尺寸参数；
S2、确定桁架机器人装配草图；
S3、利用Motion插件的功能进行运动算例仿真；
S4、在动态仿真分析软件Adams中打开上述模型文件，定义各部分零件材料属性，再进行如下步骤的操作：
S41、利用Bodies功能模块中Construction创建Points和Markers；
S42、利用Special Forces功能选取构件模块设置Gravity和Contacts；
S43、利用Applied Forces功能模块选取构建位置设置Single-Component Forces和Torques；
S5、根据桁架机器人实际工作状态，设置约束及运动副；
S6、参照初步设计的桁架机器人节拍，设计各运动驱动函数，试运行；
S7、利用动态仿真创建柔性梁，添加与原刚性桁架机器人竖梁相同约束和运动副，完成对原刚性桁架机器人竖梁的替换，利用Simulate功能模块，分析结果曲线；
S8、对桁架机器人耦合模型进行振动分析；
S9、启用Adams Post Processor，定义特征和分量，添加运行仿真后结果曲线，结合仿真实验结果及Marker标记点处测量结果以验证桁架机器人虚拟样机模型建立的正确性和可行性；
S10、对桁架机器人模型进行Adams软件和Matlab软件多软件联合仿真验证；
S11、对水平小车进行改进S函数轨迹的设计及跟踪验证，以降低小车运动过程中带来的不稳定误差，所述参考轨迹为S型轨迹。
优选的，在S1中，桁架机器人初步结构设计由立柱、X轴横梁、Y轴横梁、Z轴竖梁、齿轮齿条机构、限位开关、机械臂和机械抓手组成。
优选的，在S2中，采用自上而下的设计方法，在机械设计软件绘制各零件体模型，按照配合关系进行桁架机器人装配体模型的建立，并进行干涉检查、间隙验证和碰撞检查。
优选的，在S5中，利用Connectors模块选取连接构件设置Joints，包括FixedJoints、Revolute Joints和Translationals Joints；利用Primitives模块选取构件设置Parallel Joints、Orientation Joints、Inline Joints和Perpendicular Joints；利用Joints Motions模块选取Joints设置Translationals Joint Motions和RotationalJoint Motions。
优选的，在S8中，利用Adams/Vibration功能模块对所述桁架机器人虚拟样机模型创建通道；新建Vibration Analysis，定义工况、频率范围和步长，运行分析。
优选的，在S10中，对桁架机器人模型进行Adams软件和Matlab软件多软件联合仿真验证，包括以下具体步骤：
S101、创建由代数方程定义的状态变量Variable，定义输入状态变量，在各个电机处创建Modify Force驱动力；
S102、创建输出状态变量Variable，对各个电机的质心位置进行相应方向的位移、速度或加速度测量；
S103、创建反馈状态变量Variable，测量需反馈位置处的位移、速度或加速度等信息，将之接入到相应的反馈状态变量的运行时间函数；
S104、将所创建各电机处输入变量和输出变量分别关联到到相应的Adams plantinputs和Adams plant outputs；
S105、利用Adams Controls功能模块，添加上述定义信号，分析类型选择非线性，定义求解器，导出所述桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统文件；
S106、调出桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统，Adams Plant中AnimationMode选定interactive，设置Communication Interval参数和步长；
S107、将所设计控制器和依据桁架机器人工作节拍暂定的S函数规划轨迹接入到桁架机器人虚拟样机模型控制系统框图，运行所构建的桁架机器人完整控制框图，即可完成桁架机器人在多软件共同作用下的实时通讯，在交互状态下完成多软件的联合仿真验证作业。
优选的，在S11中，对水平小车进行改进S函数轨迹的设计及跟踪验证，以降低小车运动过程中带来的不稳定误差，所述参考轨迹为S型轨迹：
其中t1、t2、t3和a分别表示加速、匀速、减速和最大加速度的时间间隔，上式中t*＝t-t1-t2，w1＝π/t1，w2＝π/t3。在不丧失一般性的情况下，假定条件t1＝t3得到满足。所述桁架机器人设计要求10s内完成叠片物料的抓取任务，按照S型轨迹加速度信号进行轨迹规划所得最短总时间为10.34s，不符合设计要求，通过改变下落高度来修改行程可在9.68s完成既定抓取物料动作，值得一提得使，考虑到电机接受到阶跃信号对系统影响，我们做了S型轨迹规划，具体而言，设计S型曲线代替原有的阶跃信号，该S型轨迹满足电机基本要求(额定转速、最大加速度等要求)，且对电机损害小故用S型轨迹进行运动路径规划。
因此，本发明采用上述提供的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，具有以下益处：
(1)本发明一定程度上扩充了现有技术中所缺少的桁架机器人虚拟样机建立及验证方法，将桁架机器人整体当作研究对象，对桁架机器人整体进行动力学仿真分析，更接近桁架机器人实际工况状态，得到的仿真结果更贴近实际。
(2)本发明融合了机械设计软件和动态仿真软件两个软件的优点，利用机械设计软件强大的三维建模能力完成桁架机器人装配体模型的建立，以此为基础在动态仿真软件构建桁架机器人的虚拟样机模型，提供了一种机器人虚拟模型的建立方法。
(3)本发明将竖梁等关键部件进行处理，围绕桁架机器人虚拟样机模型进行耦合动力学仿真，为精确地预估末端执行器的运动精度提供了助力，提供了一种桁架机器人虚拟样机模型的验证和动力学特性测试方法，同时为进一步机械结构结构最优设计提供结果参考。
(4)本发明提供了一种桁架机器人振动分析的有效方法，能够为桁架机器人结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。
(5)本发明提供了一种桁架机器人多软件实时交互控制仿真方案，为现有机器人领域产品进行多平台多领域的联合仿真提供方法参考。
本发明设计了改进型S函数曲线轨迹，并在虚拟空间中仿真不同工况下桁架机器人的预期路径，同时设计控制器来提高轨迹跟踪能力，为缩短机器人领域相关产品的设计研发周期、降低研发成本和提高生产节拍提供一种行之有效的研究方法。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的技术路线流程示意图；
图2为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人三维装配体整体模型上下二等角轴测示意图；
图3为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人虚拟样机模型示意图；
图4为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人振动分析各阶模态分布实验结果示意图；
图5为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人竖梁支撑平台辅助验证振动分析的标记点仿真实验结果示意图；
图6为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人基于多软件联合仿真控制框图；
图7为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的桁架机器人基于S型轨迹的运动规划加速度信号示意图；
图8为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的所设计桁架机器人S函数轨迹跟踪实验跟踪效果图；
图9为本发明具体实施方式所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的所设计桁架机器人运动控制器各运动部分轨迹跟踪实验结果示意图。
具体实施方式
实施例一
一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，包括以下步骤：
S11、分析设计要求，查询设计手册，计算尺寸参数，桁架机器人初步结构设计由立柱、X轴横梁、Y轴横梁、Z轴竖梁、齿轮齿条机构、限位开关、机械臂和机械抓手组成；
S12、确定桁架机器人装配草图，采用自上而下的设计方法，在机械设计软件绘制各零件体模型，按照配合关系进行桁架机器人装配体模型的建立，并进行干涉检查、间隙验证和碰撞检查；
S13、利用Motion插件的功能进行运动算例仿真；
S14、在动态仿真分析软件Adams中打开上述模型文件，定义各部分零件材料属性，再进行如下步骤的操作：
S141、利用Bodies功能模块中Construction创建Points和Markers；
S142、利用Special Forces功能选取构件模块设置Gravity和Contacts；
S143、利用Applied Forces功能模块选取构建位置设置Single-ComponentForces和Torques；
S15、根据桁架机器人实际工作状态，设置约束及运动副，X轴、Y轴、Z轴三个方向上的行走机构和齿轮齿条机构之间设置移动副，机械臂各关节连接处设置旋转副，末端执行器机械抓手与机械臂末端设置旋转副，具体操作内容如下：利用Connectors模块选取连接构件设置Joints，包括Fixed Joints、Revolute Joints和Translationals Joints；利用Primitives模块选取构件设置Parallel Joints、Orientation Joints、Inline Joints和Perpendicular Joints；利用Joints Motions模块选取Joints设置Translationals JointMotions和Rotational Joint Motions。设置完毕后，试运行仿真，观察桁架机器人是否按照所设置运动进行动作，直到没有冗余约束和错误警告出现，进行下一步；
S16、参照初步设计的桁架机器人节拍，设计各运动驱动函数，试运行，数据来源于实际实验工况设置，设计改进型S函数轨迹规划曲线；
S17、利用Flexilble Bodies功能模块创建新竖梁，导入并移动至原桁架机器人竖梁所在位置，添加与原刚性桁架机器人竖梁相同约束和运动副，完成对原刚性桁架机器人竖梁的替换，删除原竖梁，利用仿真功能模块进行运动仿真，分析结果曲线，以验证桁架机器人耦合模型的有效性，为进一步进行振动分析奠定基础；
S18、对桁架机器人耦合模型进行振动分析，关键部件柔性化，以便为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。利用Adams/Vibration功能模块对所述桁架机器人虚拟样机模型(即图3)，新建Vibration Analysis，定义工况、频率范围和步长，分析实验结果；
S19、结构系统在受到外界激励产生运动时，将按特定频率发生自然振动，这个特定的频率被称为结构的固有频率，通常一个结构有很多个固有频率。固有频率与外界激励没有关系，是结构的一种固有属性。
根据图4桁架机器人振动分析各阶模态频率实验结果示意图可知，该桁架机器人系统固有频率为23Hz，单个共振是外界的激励频率等于或非常接近结构或材料的固有频率时，结构或材料发生大幅度的振动。共振时，结构的振动非常剧烈，这将导致不可预料的行为。因此，23Hz在桁架机器人系统中是需要避免共振的参考频率。
启用Adams Postprocessor，设置过滤器，在资源中选取对象、测量或结果集，定义特征和分量，添加运行仿真后结果曲线，结合仿真实验结果及竖梁支撑平台标记点处测量结果(即图5)，可对桁架机器人振动分析结果进行辅助验证，根据结果可知该桁架机器人竖梁支撑平台无明显振动，运行相对平稳；
S110、对桁架机器人模型进行Adams软件和Matlab软件多软件联合仿真验证，包括以下具体步骤：
S1101、创建由代数方程定义的状态变量Variable，定义输入状态变量，在各个电机处创建Modify Force驱动力；
S1102、创建输出状态变量Variable，对各个电机的质心位置进行相应方向的位移、速度或加速度测量；
S1103、创建反馈状态变量Variable，测量需反馈位置处的位移、速度或加速度等信息，将之接入到相应的反馈状态变量的运行时间函数；
S1104、将所创建各电机处输入变量和输出变量分别关联到到相应的Adams plantinputs和Adams plant outputs；
S1105、利用Adams Controls功能模块，添加上述定义信号，分析类型选择非线性，定义求解器，导出所述桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统文件；
S1106、利用运动控制软件运行上述桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统文件，调出桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统(即图6)，Adams Plant中Animation Mode选定interactive，设置Communication Interval参数和步长；
S1107、将所设计控制器和依据桁架机器人工作节拍暂定的S函数规划轨迹接入到桁架机器人虚拟样机模型控制系统框图，运行所构建的桁架机器人完整控制框图，即可完成桁架机器人在多软件共同作用下的实时通讯，在交互状态下完成多软件的联合仿真验证作业；作为本发明所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法的一种优选方案，其中：对桁架机器人模型进行轨迹规划，对各主轴结合系统参数得到的速度统计表如下表1所示：
表1桁架机器人各主轴速度统计表
按照本发明提到的桁架机器人的实际工作流程预设各环节的工作节拍来进行按照上表加速度信号进行轨迹规划，所确定各环节工作节拍如下表2所示。按照桁架机器人预设各环节工作节拍表，分别以阶跃加速度信号和S型轨迹加速度信号进行各分解动作的时间计算，计算结果如下表3所示。
表2桁架机器人初定工作节拍表
表3桁架机器人各分解动作时间统计表
本发明所述桁架机器人设计要求10s内完成叠片物料的抓取任务，按照阶跃加速度信号进行轨迹规划所得最短总时间为12.4s，不符合设计要求，考虑到协同作业模式，以这种改进式工作流程来完成抓取任务，可在9.68s要求时间范围内内完成指定抓取任务，以此种方式来完成抓取任务既可以满足抓取任务的完成时间要求，又能够提高生产节拍。但阶跃信号对电机会产生损伤，降低电机使用寿命。
S111、对水平小车进行改进S函数轨迹的设计及跟踪验证，以降低小车运动过程中带来的不稳定误差，所述参考轨迹为S型轨迹：
其中t1、t2、t3和a分别表示加速、匀速、减速和最大加速度的时间间隔，上式中t*＝t-t1*t2，w1＝π/t1，w2＝π/t3。在不丧失一般性的情况下，假定条件t1＝t3得到满足。
同时参照图8和图9仿真结果曲线图可以得出，所设计S函数轨迹及控制器可以完全跟踪目标轨迹且实现定位功能，因此本发明所述一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法中采用的控制器和改进S函数轨迹规划经仿真实验验证有效，能够为桁架机器人物理样机制造之前对该装备的性能进行测试和评估提供参考价值。
因此，本发明采用上述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，一定程度上扩充了现有技术中所缺少的桁架机器人虚拟样机建立及验证方法，将桁架机器人整体当作研究对象，对桁架机器人整体进行动力学仿真分析，更接近桁架机器人实际工况状态，得到的仿真结果更贴近实际。并且改进型S函数曲线轨迹，并在虚拟空间中仿真不同工况下桁架机器人的预期路径，同时设计控制器来提高轨迹跟踪能力。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分析设计要求，查询设计手册，计算尺寸参数；
S2、确定桁架机器人装配草图；
S3、利用Motion插件的功能进行运动算例仿真；
S4、在动态仿真分析软件Adams中打开上述模型文件，定义各部分零件材料属性，再进行如下步骤的操作：
S41、利用Bodies功能模块中Construction创建Points和Markers；
S42、利用Special Forces功能选取构件模块设置Gravity和Contacts；
S43、利用Applied Forces功能模块选取构建位置设置Single-Component Forces和Torques；
S5、根据桁架机器人实际工作状态，设置约束及运动副；
S6、参照初步设计的桁架机器人节拍，设计各运动驱动函数，试运行；
S7、利用动态仿真创建柔性梁，添加与原刚性桁架机器人竖梁相同约束和运动副，完成对原刚性桁架机器人竖梁的替换，利用Simulate功能模块，分析结果曲线；
S8、对桁架机器人耦合模型进行振动分析；
S9、启用Adams Post Processor，定义特征和分量，添加运行仿真后结果曲线，结合仿真实验结果及Marker标记点处测量结果以验证桁架机器人虚拟样机模型建立的正确性和可行性；
S10、对桁架机器人模型进行Adams软件和Matlab软件多软件联合仿真验证；
S11、对水平小车进行改进S函数轨迹的设计及跟踪验证。
2.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S1中，桁架机器人初步结构设计由立柱、X轴横梁、Y轴横梁、Z轴竖梁、齿轮齿条机构、限位开关、机械臂和机械抓手组成。
3.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S2中，采用自上而下的设计方法，在机械设计软件绘制各零件体模型，按照配合关系进行桁架机器人装配体模型的建立，并进行干涉检查、间隙验证和碰撞检查。
4.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S5中，利用Connectors模块选取连接构件设置Joints，包括Fixed Joints、RevoluteJoints和Translationals Joints；利用Primitives模块选取构件设置Parallel Joints、Orientation Joints、Inline Joints和Perpendicular Joints；利用Joints Motions模块选取Joints设置Translationals Joint Motions和Rotational Joint Motions。
5.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S8中，利用Adams/Vibration功能模块对所述桁架机器人虚拟样机模型创建通道；新建Vibration Analysis，定义工况、频率范围和步长，运行分析。
6.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S10中，对桁架机器人模型进行Adams软件和Matlab软件多软件联合仿真验证，包括以下具体步骤：
S101、创建由代数方程定义的状态变量Variable，定义输入状态变量，在各个电机处创建Modify Force驱动力；
S102、创建输出状态变量Variable，对各个电机的质心位置进行相应方向的位移、速度或加速度测量；
S103、创建反馈状态变量Variable，测量需反馈位置处的位移、速度或加速度等信息，将之接入到相应的反馈状态变量的运行时间函数；
S104、将所创建各电机处输入变量和输出变量分别关联到到相应的Adams plantinputs和Adams plant outputs；
S105、利用Adams Controls功能模块，添加上述定义信号，分析类型选择非线性，定义求解器，导出所述桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统文件；
S106、调出桁架机器人虚拟样机模型控制机械系统，Adams Plant中Animation Mode选定interactive，设置Communication Interval参数和步长；
S107、将所设计控制器和依据桁架机器人工作节拍暂定的S函数规划轨迹接入到桁架机器人虚拟样机模型控制系统框图，运行所构建的桁架机器人完整控制框图，完成桁架机器人在多软件共同作用下的实时通讯，在交互状态下完成多软件的联合仿真验证作业。
7.根据权利要求1所述的一种面向叠片物料的桁架机器人仿真控制方法，其特征在于：在S11中，对水平小车进行改进S函数轨迹的设计及跟踪验证，具体为：
其中t1、t2、t3和a分别表示加速、匀速、减速和最大加速度的时间间隔，上式中t*＝t-t1-t2，w1＝π/t1，w2＝π/t3，在不丧失一般性的情况下，假定条件t1＝t3得到满足。
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|---|---|
| CN (1) | CN116627051A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460904A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-10 | 燕山大学 | 一种面向龙门机器人的数字孪生系统 |
-
2023
- 2023-05-24 CN CN202310588339.7A patent/CN116627051A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114460904A (zh) * | 2022-01-25 | 2022-05-10 | 燕山大学 | 一种面向龙门机器人的数字孪生系统 |
| CN114460904B (zh) * | 2022-01-25 | 2024-02-02 | 燕山大学 | 一种面向龙门机器人的数字孪生系统 |
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