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【JBO官网机械】机械臂的设计及动力学仿真研究

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  • 添加日期:2021年04月29日
  • 在现在,机械臂有很多现成厂家的产品,但是实际需求往往比较复杂,不是简单买一套来就能用上,因此存在一个设计过程。就好比装修房子,市场上有很多家具可以买,但是还是要设计好,再购买,才能确保符合需要[1]。实际运用中,机械臂的设计工作还涉及到生产动作的编程,有的还涉及到机械臂的某些关节、特别是末端抓取装置的设计;有的还要采用相应的传感器,确保运动动作的精准。这样,设计出来的机械臂才能满足人们工作、生活的需要,让人们的生活变得更加的智能。

    1 机械臂的概述

    机械臂能模仿人们的动作,代替人们完成工作的好帮手。它的运行需要输入固定的程序,才能使机械臂完成抓取、搬运物件或操作工具的动作。代替人们完成繁重、脏累的工作,还能代替人们在有害环境下完成工作,极大限度的保护了人们的生命安全,被人们广泛应用在各个领域。机械手的研究工作开始于20世纪中期,随着计算机技术及自动化技术的快速发展,特别是计算机技术的快速发展,为机械臂的研究工作奠定了坚实的基础。机械臂首先是美国开始研发,1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人,1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”作为机器人产品最早的实用机型。这些工业机械臂代替了人们繁重的工作,为人们减轻了工作上的压力,保护了人们的人身安全,因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门[2]

    机械臂设计包含以下一些考虑要点:①载重。要考虑机械臂的载重要求,这样就可以大致知道用多大的机械臂;②自由度。考虑机械臂动作要求的自由度有多高,是一维的直线运动,还是多维的复杂动作;③精度。要考虑的是机械臂的精度,对操作对象的取放的位置精度、力量控制精度等;④速度。考虑速度,就是效率。

    2 机械臂的机构设计

    关节和臂杆等结构、机构部件组成机械臂,它是一个在空间环境中进行工作的动力系统。作为机械臂的核心,就是关节了,关节在机械臂运行中起到非常重要的作用,尤其在关于机械臂的设计工作中,需着重考虑关节在机械臂中的合理设计和应用。设计人员需准确了解关节的动力学特性,从而才能建立起精确的关节动力学模型。关节的动力学特性还作为机械臂设计、模拟分析的重要基础[3]

    机械臂模型如图1所示,机械臂的大臂利用虎克铰与底座相连接;两个电动推杆利用球铰与机架相连接,利用虎克铰与大臂相连接;大臂与小臂之间的连接是利用转动副连接来实现的;而两个电动推杆的两端与大臂和小臂之间的连接也是通过转动副连接来实现的。在这种混联式机械臂的下半部分,采用了并联的形式相连接,这样的做法使得该机械臂的机械结构具有良好的刚性,而又不乏运动的灵活性。在该机械臂的上半部分则采用了串联的形式相连接,使得该机械臂拥有比较大的工作空间[4]

    该机械臂的机械结构可以得到确定的运动状态,是因为该种机械臂的三个电动推杆作为机构的原动件,从而使得原动件的数目与机械结构的自由度相等,从而使得该机械臂可以得到稳定而确定的运动。手腕1是用来调整或改变工件的方位的部件,还能用来连接末端操作器和手臂,由于它有三个自由度,因此可以作为夹钳式或吸附式这类型的工作。本设计还可以根据工作的不同,而配置不同的末端操作器。

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    图1 机械臂模型图

    3 仿真分析

    3.1 仿真模型的建立

    机械臂的设计完成,需要对机械臂的工作性能进行仿真测试,主要应用了Pro/E和ADAMS软件对机械臂的工作性能进行仿真实验。文章主要对3自由度混联式机械臂的工作性能进行仿真实验,一般的仿真实验往往采用ADAMS软件对机械臂的工作性能进行运动学仿真实验,虽然ADAMS软件为我们提供了建模的功能,但该软件与专业的建模仿真分析软件相比,其性能就相对比较弱一点,因此本位采用Pro/E软件进行实体建模[5],将建模后的模型格式输入到ADAMS软件中去,在该软件的工作环境下进行仿真分析实验。

    3.2 运动学仿真

    进行运动学仿真前,需要在三个移动副上添加上相应的运动函数,在进行运动学仿真实验,在小臂末端添加marker点,仿真得出机构末端的工作空间为环球体的一部分。可以根据机构末端轨迹点从而绘制出的三维工作空间运动轨迹。该机械臂的机械性能的一项重要指标还需要机械结构末端的运动特性来衡量。而末端的运动特性可通过末端的速度与加速度变化曲线来描述[6]

    4 结束语

    机械臂的设计和动力学仿真建模与控制问题是当前控制界研究的热点之一,近年来受到广泛关注。机械臂的设计及其动力学研究相当复杂,因此从事机械臂的研究需要进行大量的实验与仿真模拟,深入到所涉及的每个学科,根据工作环境、空间的不同需求,需要设计不同的机械臂满足人们的需要,从而使得机械臂充分发挥其功效,为经济的发展带来积极作用。