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1、重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计摘要：重载搬运机器人具有节省生产成本、高质量、稳定性和高生产率的优 点，在实际工业生产中扮演着越来越重要的角色。控制系统的重载搬运机器人具 有非线、时变、耦合性的动力学特性。由于不确定性，在重载工况下机械臂关节 连续工作会引起过大能量耗散、性能损失或故障等问题。因此，重载搬运控制研 究和设计系统尤为重要。根据仿真分析动力学，运动关节重载搬运机器人的动力 学稳定特性，耗能程度低，PTP模式下的运动控制可以按预定路径完成，最后构 建了控制系统仿真平台和控制系统模型。关键词:重载搬运机器人；动态性能；能量耗散引言工业生产中对材料搬运和零件转移等生产链信息的需求
2、越来越大，加快了工 业机器人的发展。自动化机器的开发和智能生产系统的建立为机器人进入车间创 造了条件，并越来越多地取代劳动力的紧张关系，以减轻用工难压力。其应用于 制造业，具有一定的要求和优势，可将传统的大规模生产转变为精细或定制的生 产流程。工业机器人在提高工业生产效率、产品质量和生产信息方面发挥着重要 作用，也利用其独特优势开辟了新的工业生产路线，并在各行业得到应用。1 慨况许多国际和国内专家现在都在尝试使用 ADAMS 虚拟模型，进行设计动力学仿 真和控制重载搬运机器人控制系统的动力学仿真，并对典型工况下机器人的工作 力进行了仿真；对主要组件的最大扭力规律进行了仔细的分析。选择驱动电机功
3、 率参数验证，不考虑机器人系统运动关节的能耗。对五自由度重载机器人进行了 研究，说明控制系统的结构、硬件和软件，该系统通过计算和比较确定机器臂的 设计，以满足减速要求；本文针对ABB制造的重型搬运机器人I RB460。根据其 结构特征，使用 SolidWorks 软件创建了重型机械臂的三维模型。如果只考虑三 个自由度，即旋转轴、大臂，则可以简化机器人重载搬运系统模型到空间中三关 节机械模型；拉格朗日方程的一个动态模型。以点对点运动模式(PTP)为例，采 用机器人逆运动学和五次多项式插值算法，建立了多关节机器人的空间规划，开 发了一个仿真实验室平台进行控制，即机器人控制系统模型。2 重载搬运机器
4、人系统数学模型的建立2.1 重载搬运机器人的三维模型本文用于 ABB 制造的 IRB460 机器人，该机器人使用 Solidworks 软件根据其 机械结构设计，然后装配到三维加载模型中。语句编写入控制器内存中的计算机 并自动重复该过程，以便重载搬运机器人的每个电机驱动机器人臂都将货物送到 指定托盘上上的预定的路径，直到作业结束。2.2 关节型机器人的基本架构机器人机身由两部分组成 :平行四边形大臂、关节和水平保持组成的三角臂。 另一部分为平行四边形，由小臂、水平连杆、三角形手臂的水平支撑和关节组成 两组平行四边形之间的位置关系不仅有助于确保前臂关节的水平位置，而且有助 于将有效载荷分布到机器
5、人的身体上。伸出臂、杠杆、连杆和前臂组成一个四杆 机构。在操作中，机器人关节 3 处的驱动由小臂驱动引导至小臂。使小臂上下俯 仰。使用此轻连杆作为驱动臂不仅可以获得较高的角速度和角加速度，还可以降 低驱动臂的功耗。3 重载搬运机器人虚拟样机模型的动力学仿真通过向机构添加材料特性、运动约束、驱动要素和外力并确定要输出的动态 参数，可以执行运动仿真分析。(1) 添加材料特性和运动约束。通过添加材料、质量和运动约束等特性， 零部件之间的运动是正确的。重载搬运机器人虚拟机模型的组件。(2) 定义运动路径。在ADAMS环境中，规划了重载搬运机器人虚拟样机建 模系统，并进行了动态仿真，如搬运机器人工作流程
6、所示，该机器人主要执行搬 运等任务。此仿真实验的运动模式使用标准PTP运动模式。运机器人的末端执行 器通过关节的协调运动从等待点A0快速下降到抓取点A1，从抓取完物料后A1到 A0,然后将材料从A0移动到A2，然后慢慢减少抓取到的材料并将其放置到托盘 的A3点，最后将点A3返回到点A2,到抓取起始点A0。(3) 仿真研究。在ADAMS环境下，Wstiff求解器考虑了后差积分格式速度 条件方程与其他算法之间的关系，步长的变化对仿真结果的精度没有影响，具有 稳定性和强度特性，仿真控制器仿真时间为15 s,仿真步长数为200，导出了重 载搬运机器人关键组件的动态链路性能和功耗变化。4重载搬运机器人虚
7、拟样机模型的动力学仿真控制动态系统模块的创建。重载搬运机器人为了说明设计的控制系统的可行 性，本文将其的旋转轴、尺关节力矩关节力矩描述为控制系统模块的输入信号。 分别记录为控制力矩1、2和3在MATLAB/Simulink环境中，输入重载搬运机械 人动力学模块，将其保存为Adams plant,仿真参数设置，完成重载搬运机器人 动力学系统动构建，如图1所示。卯h fn 2棒Az汨Ta翊应JfTi山图1控制系统动力学模块O J SLi I Q-1JcAzrV f rg i 14-小叱筋吨炮小TT滸盒I i即殳A13.A MS. Il:亦a. m NFS；岱訂卜V i Li.M J/tk-n-ui
8、kI 11 O W-ll-rkj-inLL-UE重载搬运机器人系统控制器的设计。机器人的操纵方式两种控制分为分散和 集中控制。分散控制基于运动学和动力学的电机控制服务。运动学提供目标大小 动力学提供前向电源。由动态和运动学系统模型设计驱动的集中控制有助于计算 机器人的几何关系。本文实施的机械控制系统是集中的。集中控制是把机器人控 制看作一个整体。而不是将其细分为单独的子系统，通过建立机器人的动态电子 耦合模型直接产生控制力矩。基本方法为:(1)从上层算法，如插值算法的多关 节机械臂中获取坐标点目标端位置；(2)各运动关节的目标位置采用逆运动学 计算；(3)控制规则是根据既定的动力学电耦合模型设
9、计的。机器人控制系统 输入力矩。控制系统中常用的方法包括 PD 重力补偿、鲁棒、自适应和滑模控制(4) 各电机力矩控只通过电流环。在 MATLAB/Simulink 环境中，将机器人系统 的输入变量、状态函数和输出变量与 ADAMS 中创建的动态模块相关联，从而实现 机器人的正向动态仿真和能量分析实验。重载搬运机器人可以看到关键部件重载 时角位移、角速度和角加速度的变化。本文所用的机器人逆运动学和五次多项式 插值算法可以实现重型运输机器人沿预定路径运动连接的运动，其通过比较机器 人所选电机的额定转矩和额定功率，每个连接的最大功率不超过额定转矩和每个 驱动电机的额定功率，这意味着电机的选择符合设
10、计要求。5 结语本文针对重载搬运机器人。介绍了控制系统重载搬运机器人模型，构建控制 系统机器人实验仿真平台，进一步分析了重载搬运机器人运动关节的动态性能变 化和能量耗散情况。参考文献：1 周弦拓.考虑关节动力学优化的机器人复杂轨迹规划】J.机械科学 与技术，2019，37(2):2322362 邓现坤.开放式步行机器人实时控制系统研究J.机械设计与研究, 2019，30(3):29333 沈廉基于ADAMS的弧焊机器人动力学仿真J 机械设计与研究，2019，21(6):50524 李江波.一种机器人轨迹规划的优化算法J.电机与控制学报， 2019，13(1):1231275 赵力河.仿人型机器人手的力矩保持功能及控制系统】J.电机与控制学报，2019(5):497501
