□ 杨松山 □ 徐增丙 □ 王志刚

武汉科技大学 机械自动化学院 武汉 430081

1 研究背景

随着科学技术的发展,机械臂的应用要求越来越高。利用虚拟样机技术代替真实物理样机试验,在设计过程中可以提高物理样机性能,避免样机制造的高成本,缩短开发周期[1],对机械臂整体性能指标还可以反复进行试验与改进[2]。笔者利用Adams动力学仿真软件进行运动分析,观察机械臂运动状态,在Matlab软件环境下建立控制系统,发挥两款软件各自集成的优势,对机械臂进行交互式仿真,从而使机械臂快速、精准完成动作,为实际样机制作供理论依据。

2 机械臂模型

Adams软件的三维实体建模环境较差,为了方便分析,降低结构设计和控制系统设计的复杂程度,在SolidWorks软件中建立机械臂实体模型。在结构设计中进行合理的简化,机械臂由底座、转台、四节臂架、执行器组成。

机械臂模型如图1所示。

▲图1 机械臂模型

3 机械臂运动学分析

3.1 运动模型

建立机械臂的连杆坐标系,然后利用Denavit-Hartenberg参数法分析机械臂运动学方程的求解过程[3]。建立连杆坐标系的方法包括标准Denavit-Hartenberg法和改进Denavit-Hartenberg法,标准Denavit-Hartenberg法与改进Denavit-Hartenberg法在建立各连杆坐标系时,原点坐标的选取有所不同。笔者采用标准Denavit-Hartenberg法建立机械臂连杆坐标系[4-5],如图2所示。两相邻连杆之间的关系用连杆长度ai、连杆扭角αi、连杆偏距di、连杆夹角θi四个参数来描述[6],连杆参数见表1。

表1 连杆参数

▲图2 机械臂连杆坐标系

在Matlab软件机器人工具箱环境下建立机械臂数学模型,通过Denavit-Hartenberg坐标参数构建每个关节位置[7],再通过 Link和Robot 函数对连杆关节进行连接组合,完成机械臂建模,如图3所示。……