采摘机器人机械手夹紧装置优化设计——基于Pro/E和ADAMS联合仿真
发布时间：2020-12-09 02:02
采摘机器人作业过程中,果实的机械损伤是影响采摘效果的主要因素之一。为了降低采摘机械手对果实的伤害、缩短设计周期、降低实验成本,提出了一种新的机械手夹紧装置的优化设计方法。该方法利用软件的联合虚拟仿真功能,实现了虚拟环境下夹持机构夹紧力的计算与同步优化。同时,构建了采摘机械手虚拟样机多体系统框架,设计了采摘机械手仿真计算的多体动力学模型,利用Pro/E软件建立了机械手的数字化模型,并导入ADAMS中进行了模拟仿真分析;通过计算得到了不同机械手手指尺寸的夹紧力大小。由夹紧力的多组仿真结果可以得到:在不超过水果破碎夹紧力阈值时,最大夹紧力所对应的机械手手指长宽比,从而有效缩短了机械手的设计周期,提高了设计效率,为采摘机器人的研究提供了重要的数据参考。
【文章来源】：农机化研究. 2017年05期 第226-230页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
夹紧装置优化设计流程
仿真计算过程，其详细框架如图2所示。图2机械手虚拟样机系统结构框图Fig．2Thestructurediagramofmanipulatorvirtualprototypesystem该系统由静力学仿真、动力学仿真、运动学仿真3大模块组成，仿真方法主要是通过添加约束、施加驱动和载荷来实现。机械手虚拟样机系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量，以及其它约束条件有关。在ADAMS软件中，常用的运动副和自由度的约束个数如表1所示。表1ADAMS常用的运动副和自由度约束的个数Table1ThenumbersofmovemwntpairandfreedomconstraintcommonlyusedbyADAMS运动副自由度约束的个数转动平移总自由度约束的个数铰接形式运动副235圆柱形式运动副224恒速形式运动副134固定形式运动副336万向形式运动副134采摘机械手的自由度个数可以通过式(1)进行计算，有DOF=6n－∑mi=1pi－∑xj=1qj－∑Ｒk(1)其中，n表示装置中活动构件的个数;pi表示第i个运动副的约束个数;m表示运动副的总个数;qj表示第j个驱动约束的个数;x表示总驱动约束个数;Ｒk表示其他形式的约束条件个数。在采摘机器人机械手动力学计算过程中，自由度和驱动约束和系统的动力学特性具有密切的联系，在ADAMS软件中，夹紧装置的自由度决定了机构的夹紧特性。2机械手夹紧装置多体动力学模型在ADAMS中采用多体系统动力学的拉格朗日乘子法建立系统运动方程。采用拉格朗日方程可以避免出现不做功的理想约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度。ADAMS软件中采用的动力学方程的普遍形式为ddt?T?q()·T－?T?()qT+yTqp+θTq·μ－Q=0yq，()t=0θq，q·，()t=0
j=qj+1－qj，Δvj=vj+1－vj，Δλj－λj+1－λj(13)为了求解该微分方程，需要通过分解系统雅可比矩阵求解Δqj，Δvj，Δλj，计算出qj+1，vj+1，λj+1，q·j+1，v·j+1，λ·j+1，重复上述迭代校正步长，直到满足收敛条件。3Pro/E建模和ADAMS仿真优化设计软件ADAMS不具有专业的建模功能，因此需要在一般的三维建模软件中进行建模后导入到ADAMS软件中进行仿真。本次研究以Pro/E作为建模软件，并将模型保存为．x_t格式文件，模型导入界面如图3所示。利用ADAMS中的File－Import导入模型，文件类型选择为Parasolid，在FileToＲead中找到建立好的模型，类型默认为ASCLL，输入模型的名字便可以导入模型，导入后的模型如图4所示。图3机械手模型导入界面Fig．3Theimportinterfaceofmanipulatormodel图4导入后的机械手模型Fig．4Themanipulatormodelaftertheimport模型导入后可以在ADAMS软件中设置转动副和移动副，利用仿真计算功能可以得到机械手的力、力矩、位移、速度及加速度等。本次仿真主要是计算采摘机器人机械手指的末端夹紧力，因此在仿真计算过程中主要计算了机械手指的夹紧力，并利用ADAMS软件的后处理功能输出了夹紧力随时间的变化曲线，如图5所示。图5夹紧力计算曲线Fig．5Thecalculatedcurveofclampingforce由图5可以得到:在果实采摘过程中，机械手指的最大夹紧力，而优化设计过程需要在不超过果实破碎夹紧力阈值的前提下，得到最大的果实采摘力。据·228·2017年5月农机化研究第5期
本文编号：2906058
【文章来源】：农机化研究. 2017年05期 第226-230页 北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
夹紧装置优化设计流程
仿真计算过程，其详细框架如图2所示。图2机械手虚拟样机系统结构框图Fig．2Thestructurediagramofmanipulatorvirtualprototypesystem该系统由静力学仿真、动力学仿真、运动学仿真3大模块组成，仿真方法主要是通过添加约束、施加驱动和载荷来实现。机械手虚拟样机系统的自由度与构成机械的构件数量、运动副的类型和数量、原动机的类型和数量，以及其它约束条件有关。在ADAMS软件中，常用的运动副和自由度的约束个数如表1所示。表1ADAMS常用的运动副和自由度约束的个数Table1ThenumbersofmovemwntpairandfreedomconstraintcommonlyusedbyADAMS运动副自由度约束的个数转动平移总自由度约束的个数铰接形式运动副235圆柱形式运动副224恒速形式运动副134固定形式运动副336万向形式运动副134采摘机械手的自由度个数可以通过式(1)进行计算，有DOF=6n－∑mi=1pi－∑xj=1qj－∑Ｒk(1)其中，n表示装置中活动构件的个数;pi表示第i个运动副的约束个数;m表示运动副的总个数;qj表示第j个驱动约束的个数;x表示总驱动约束个数;Ｒk表示其他形式的约束条件个数。在采摘机器人机械手动力学计算过程中，自由度和驱动约束和系统的动力学特性具有密切的联系，在ADAMS软件中，夹紧装置的自由度决定了机构的夹紧特性。2机械手夹紧装置多体动力学模型在ADAMS中采用多体系统动力学的拉格朗日乘子法建立系统运动方程。采用拉格朗日方程可以避免出现不做功的理想约束反力，使未知变量的数目减少到最低程度。ADAMS软件中采用的动力学方程的普遍形式为ddt?T?q()·T－?T?()qT+yTqp+θTq·μ－Q=0yq，()t=0θq，q·，()t=0
j=qj+1－qj，Δvj=vj+1－vj，Δλj－λj+1－λj(13)为了求解该微分方程，需要通过分解系统雅可比矩阵求解Δqj，Δvj，Δλj，计算出qj+1，vj+1，λj+1，q·j+1，v·j+1，λ·j+1，重复上述迭代校正步长，直到满足收敛条件。3Pro/E建模和ADAMS仿真优化设计软件ADAMS不具有专业的建模功能，因此需要在一般的三维建模软件中进行建模后导入到ADAMS软件中进行仿真。本次研究以Pro/E作为建模软件，并将模型保存为．x_t格式文件，模型导入界面如图3所示。利用ADAMS中的File－Import导入模型，文件类型选择为Parasolid，在FileToＲead中找到建立好的模型，类型默认为ASCLL，输入模型的名字便可以导入模型，导入后的模型如图4所示。图3机械手模型导入界面Fig．3Theimportinterfaceofmanipulatormodel图4导入后的机械手模型Fig．4Themanipulatormodelaftertheimport模型导入后可以在ADAMS软件中设置转动副和移动副，利用仿真计算功能可以得到机械手的力、力矩、位移、速度及加速度等。本次仿真主要是计算采摘机器人机械手指的末端夹紧力，因此在仿真计算过程中主要计算了机械手指的夹紧力，并利用ADAMS软件的后处理功能输出了夹紧力随时间的变化曲线，如图5所示。图5夹紧力计算曲线Fig．5Thecalculatedcurveofclampingforce由图5可以得到:在果实采摘过程中，机械手指的最大夹紧力，而优化设计过程需要在不超过果实破碎夹紧力阈值的前提下，得到最大的果实采摘力。据·228·2017年5月农机化研究第5期
本文编号：2906058
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2906058.html
