抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析

抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析

杨静

广州广电计量检测股份有限公司广东省广州市510656

摘要:采用UG来给抓取机械手创建实体模型，并且采用UG的运动分析模块来给机械手的大臀部位采取运动仿真。在工作期间，机械手很容易倾倒，而腰部在力矩的作用下会出现弯曲的情况，这样一来，机械手在竖直方向的运动就会受到干扰。采用嵌入UG的Nastran来给腰部结构采取有限元分析，能够获取最大应力，然后再和计算机应力相比，这样一来就能够确保机械手的运行得到稳定，同时后续工作也能够得到顺利的进行。

关键词:机械手；运动仿真；有限元分析

在现代机器人种类当中，机械手是最早出现的。其作用主要是能够取代人力劳动，从而让生产工作变得自动化。手部、控制系统乙级运动机构是机械手最为重要的部分。在工作期间，腰部主要的作用，是将底座和大臂的主要部位进行衔接，同时还能够承受弯曲应力，所以在设计期间，一定要确保腰部达到理想的强度。下面我们通过介绍UG的Nastran，来掌握腰部的受力情况，并找到最大的应力点，然后再和计算机应力相比，并且采用运动仿真模块来仿真腰部运动。

一运动学分析

1.1运动学正解

是指已经获取的杆件的参数以及关节变量，然后根据实际数据，来找到定坐标系的位置。所以，可以采用D-H的法来创建立坐标系转换矩阵：

A1=cosθ1--sinθ100A2=sinθ1cosθ100

A2=cosθ2-sinθ200A2=sinθ2cosθ200

A3=cosθ3-sinθ30a2cosθ3A3=sinθ3cosθ30a2cosθ3

其中，A1代表的是腰部模块关节变换矩阵、A2代表的是大臀关节变换矩阵，而A3则代表的是小臀关节变换矩阵，这样一来就能够获取机械手末杆的位资矩阵。

1.2雅可比矩阵求解

采用雅可比矩阵能够充分撞我机器人手端在坐标里的速率和关节速度所存在的关联性，同时还能够掌握手部和外接触力所存在的关系。

这样一来就能够创建抓取机械手的雅可比矩阵

JLI=bo×r0,e=[ijk]=[-px]

JL2=b1×r1,e=b0×r0,e=[ijk]=[-PX]

JL3=b2×r2,e=[-py]，JA1=[0]，JA2=0

JA3=[0]，则J1=[-py-px0000]T,

J2=[-py-px0001]T,

J3=[-py-px0001]T

,px、py、pz代表的是和机械手末杆具有关联性的基坐标系的向量。这样抓取机械手的雅可比矩阵就是J(q)=[J1J2J3]T

二运动学仿真

2.1机械手的运动顺序

假设工件放在工作台上面，第一要做的，就是要把机械手太高一定的距离，之后再往水平方向进行移动。紧接着将大臀旋转到和工件较劲的方位。这个时候，如果机械手没有在理想的方位，那么就要将小臀旋转到工件的上面，并往下移动机械手，此时末端执行器里的气缸活塞杆会由于气压而打开手抓，这样就能够有效的抓住工件；第二步就是把工件摆在要加工的方位，第一要做的，就是要把小臀进行反方向旋转，然后再进行大臂回转，这样一来就能够达到加工工位，此后，还要把气缸活动杆移动到原始方位，并放开手抓，这样就算是顺利的结束了此次操作。

2.2STEP函数实现运动顺序的控制

在上面所介绍内容的基础上，再把时间有效的安排给所有的动作，此时最好采用STEP函数来对运动顺序进行把控，其一共包含两种方式，分别为嵌入式和累加式。下面我们就以累加式为例，来表现一下相关的形式，其中自变量为时间（time），变量为位移。

丝杠：:STEP（time,0.5,0,1,40）+STEP（time,3,0,3.5,-40）；

螺母:STEP（time,0.5,0,1,40）+STEP（time,3,0,3.5,-40）；

导块:STE（time,0.5,0,1,40）+STEP（time,3,0,3.5,-40）；

大臀:STEP（time,1,0,1.5,120d）+STEP（time,5,0,5.5,-120d）；

小臀:STEP（time,2,0,2.5,100d）+STEP（time,4,0,4.5,-100d）；

d代表的是每秒转过的角度。

三腰部弯曲应力

通常，应力计算的公式为σmax=NA±MW≤[σ],Wz=Iz。通过这个公式，能够得到腰部的最大应力。而较大的应力的边缘还存在着最小应力，此时，较大的应力的应力值为0，那么最好采用ADAMS来创建有效的虚拟样机分析模型，以此来有效的掌握振动系统参数在各种激励频率中，对机身振幅的影响，这样一来就能够给减震隔振设计创造合理的依据。

在遭到激振力矩的情况下，会形成位移响应，通过有效的分析能够了解到，系统保持在1000Hz到5000Hz范围的话，就能够得到充分的响应。

结束语:

采用D-H法创建坐标系转换矩阵，并且创建机械手的雅克比矩阵；采用UG的运动仿真功能来控制机械手大臀进行仿真运动控制，能够获取其加速度；采用嵌入UG的Nastran来分析腰部有限元，并把所获取的结果和计算机应力进行相对比，能够充分证明有限元分析的准确性，这样所获得的机械手在荷载作用下的变形情况就能够得到改善。

参考文献:

[1]王熙杰.随形抓取机械手的设计及运动实现[D].兰州交通大学,2017.

[2]张平霞,高利,朱永强.物料抓取机械手的设计与仿真[J].煤矿机械,2014,35(11):242-243.

[3]彭万万,闫宏伟,宋志强.抓取机械手运动仿真及腰部结构频响分析[J].煤矿机械,2014,35(04):91-93.

[4]王鹏,朱龙英.抓取机械手的运动仿真及腰部有限元分析[J].机械传动,2011,35(05):43-45+55.