基于ADAMS的非夹持物体驱动研究

刘伟健，孙志峻，张泉

(南京航空航天大学: a. 机电学院， b. 航空宇航学院，江苏 南京 210016)



基于ADAMS的非夹持物体驱动研究

刘伟健a，孙志峻b，张泉a

(南京航空航天大学: a. 机电学院， b. 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

摘要：在高温、高辐射、强磁等极端恶劣环境下，对于易破碎、易变形的物体，无法使用常规夹具夹持来进行操作。根据上述需求，设计了一个由超声电机直接驱动的非夹持物体驱动机构样机。采用Pro/E对其进行三维建模，随后在ADAMS环境下进行了运动学和动力学仿真，为实物样机的实时控制提供了依据。

关键词：非夹持；摩擦；超声电机；仿真

0引言

目前，在一些极端恶劣的环境，如高温、高辐射、强磁条件等，远距离驱动技术得到了广泛的应用。通常这些驱动机构都是由电磁电机驱动，为了获得合适的工作速度，不得不利用减速机构，从而增加了机构的复杂性；另外对于一些易破碎、易变形的物体，无法使用常规夹具夹持来使它们移动或定位。基于上述分析，本文对如何利用摩擦驱动平板上的非夹持物体的运动进行了研究。对大量的科技文献数据库进行检索，发现涉及平板操控的文献很少。Arai探讨了操纵六自由度机械臂在平板上推立方体沿其边进行滚动的操控策略。Lynch探讨了一个圆球在平板两侧连续来回滚动的问题，研究内容涉及平板的外形设计和运动规划。Amagai利用视觉信息，开展了六自由度机械臂对平板上的物体进行操控实验研究。Rezaiki研制了基于水平单向振动三自由度平板的万向平面式机械臂。Bohringer探讨了基于弹簧振动模型的小零件在非刚性平板上的弹跳运动问题。Vose探讨了在任意方向具有振动性质的平板上，零件滑移的无传感控制。Mitsuru Higashimori等日本学者研究了基于普通伺服电机的平板操控系统。分析这些研究的课题，发现所用的驱动器都是传统电磁电机，因此本文研究设计了由超声电机直接驱动，利用物体之间的摩擦力来驱动物体的机构样机。超声电机作为新兴的基于压电效应的驱动器，与传统电磁电机相比具有以下优点：1) 结构紧凑、质量小；2) 断电自锁；3) 不受磁场和电场的影响；4) 直接驱动，定位精度高等。

首先利用Pro/E在偏置曲柄滑块机构的基础上，设计了一个连杆机构来驱动非夹持物体，随后利用ADAMS对其进行运动学分析和运动规划，最后对仿真结果进行了分析。

1样机的机构设计

根据偏置曲柄滑块机构，设计出了非夹持物体远距离驱动机构，结构简图如图1所示。平板通过细长杆沿x轴的直线运动与绕x轴旋转运动来改变平板上物体的位置与姿态。根据细长杆沿x轴的直线运动生成方式的不同，有两种方案可供选择：不同点在于关节2处是否有自由度。1) 关节2处有一个旋转自由度，细长杆的直线运动是由关节1和关节2处自由度的协同产生的，这样做有利于避免奇异位形，可以减小支撑点所受的径向力，但由于重力的原因，这种方案增加了关节1处的负荷，此外由于两处自由度需要协同工作，增加了控制的难度；2) 关节2处没有自由度，细长杆的直线运动是由关节1处旋转自由度单独形成的，这样做可以控制过程简单，易于实现，但不利于避免奇异位形。在具体实现时，旋转自由度由超声电机驱动形成。根据设计要求，摩擦平板的直线位移只需10mm，机构不会运动到奇异位形，而且根据超声电机输出的额定转矩情况，从而选择了2) 。图2为样机三维效果图。

图1　结构示意图

1—摩擦层；2—被驱动物体；3—直线轴承；4、9—超声电机；5、8—电机基座；6、7—连杆；10—平衡导轨；11—驱动平板图2　样机三维效果图

2虚拟样机的运动学仿真

2.1　机构的运动原理

考虑图3中平板与物体的关系，简单分析后，设置了如下假设：

图3　模型坐标系分析

1) 平板和物体都是刚体；2) 物体质量均匀分布，厚度忽略不计；3) 平板足够大，物体不会跌落；4) 物体不会从平板上弹起；5) 科氏力和离心力等不考虑；6) 物体所受压力均匀分布；7) 物体与平板之间的摩擦系数符合库仑定律，μS与μK分别代表静摩擦系数和动摩擦系数；8) 平板与物体的位置方向都是可观察的。

图3中符号的含义如下：

ΣR：参考坐标系(世界坐标系)，XR-YR平面水平；

Σm：固定在平板质心上的坐标系，Zm轴垂直于平板；

ΣB：固定于物体质心处的坐标系，ZB轴垂直于与其接触的平板；

(mxB,myB)：ΣB在Σm中的坐标系坐标；

mθB：ΣB在Σm中的坐标系的方向；

mB：物体的质量；

SB：物体与平板接触区域的面积；

g：重力加速度，g≜[0,0,-g]T(g>0)。

图4　物体的受力分析

a) 平移运动

在图4(a)中，mαB、mβB和mfB分别表示在Σm坐标系下物体所受的惯性力、重力和摩擦力：

(1)

mβB=[0,mBgsinθ,-mBgcosθ]T

(2)

(3)

(4)

b) 旋转运动

(5)

从式(5)中可以得出物体所受的压力与摩擦力是随着myr单调变化的，因此物体的质心处所受的力矩为：

(6)

考虑到dm/dS=mB/SB[8]，则：

(M>0 与M<0分别对应物体所受的力矩方向分别为逆时针与顺时针)根据质心的定义式(7)中第一项始终为0，则：

(8)

另一方面，设mff≜[mffX,mffY,0] 为物体在Σm坐标系中所受的摩擦力，则：

(9)

(10)

因此物体在xm与ym方向上的加速度分别为：

(11)

(12)

2.2　在ADAMS中创建虚拟样机的约束与驱动

虚拟样机在Pro/E中装配完成后，导入ADAMS中添加相应的约束关系，根据虚拟样机的结构和自由度分析，创建了如下的运动副：在图1(a)中电机1、2的位置添加两个旋转副(Revolute Joint)和两个旋转驱动的命令(Rotational Joint Motion)；在连杆1、2的连接处和连杆2与电机2基座的连接处添加两个旋转副(Revolute Joint)；在直线轴承出添加圆柱副(Cylindrical Joint)；其他各连接处添加固定副(Flexed Joint)。

根据2.1节中的分析和结构本身的特点，机构可以通过快速的往复运动来实现物体的运动[Ref]，因此选择了正弦曲线作为输入信号。另外，由于ADAMS中的STEP函数具有递减幅值的作用，因此在输入信号中添加STEP函数可以模拟闭环控制，提高仿真结果的准确性。电机1、2的驱动方程分别为：

if(time-2:

1d*ABS(SIN(10*PI*time)),

1d*ABS(SIN(10*PI*2)),

if(time-2.75:

-1.5d*ABS(SIN(10*PI*time)),

-1.5d*ABS(SIN(10*PI*2.75)),

(13)

if(time-3.5:

STEP(time,

2.75,-1.5*ABS(SIN(10*PI*time)),

3.5,0),

0,0)))

if(time-2:

-2d*ABS(SIN(10*PI*time)),

-2d*ABS(SIN(10*PI*2)),

if(time-4:

0,0,

if(time-6:

-20d*ABS(SIN(PI*time)),

(14)

-20d*ABS(SIN(PI*6)),

if(time-9:

STEP(time,

4,20*ABS(SIN(PI*time)),

9,0),

0,0))))

设定仿真参数，仿真类型为Dynamic，仿真时间为10 s，仿真步长为0.01 s，动摩擦系数为0.7，静摩擦系数为1，物体与平板的材料均为铝。

2.3　在ADAMS中虚拟样机的仿真过程

根据2.1的运动学分析，发现物体在绕z轴旋转的过程中，物体在Σm坐标系中的位置也会随之变化，因此首先要驱动物体绕z轴旋转，然后驱动物体沿Xm与Ym方向移动。如图5所示，是在物体的一个运动周期内截取的四幅图片，(a)为物体的初始位置，(d)为物体的目标位置。

图5　仿真过程

2.4　在ADAMS中虚拟样机的仿真结果与分析

ADAMS 软件提供了ADAMS/PostProcessor功能，以提高对仿真结果的处理能力[7]。在ADAMS/PostProcessor中可以得到仿真结果如图6所示，分别是物体在xm、ym方向上的位置以及绕z轴旋转的角度变化曲线图。分析图(6)中的三条曲线，在0~2s时间段内，物体绕z轴做旋转运动，物体在xm、ym方向上的位置会发生变化，这与理论分析的结果是一致；在2~3.75s时间段内，物体在xm方向运动，ym方向上的位置基本不变；在4~9s时间段内，物体在ym方向运动，xm方向上的位置基本不变；9s以后物体趋于稳定。在图6(c)中，物体绕z轴旋转的角度出现的波动是由于仿真过程中物体与平板间存在的微小跳动引起的，波动也在所要求的精度范围内。因此，从虚拟样机的仿真结果来看，2.2节中规划的物体的运动过程是可行的。

图6　仿真结果

3结论

设计了基于超声电机驱动的非夹持物体的驱动机构，采用Pro/E软件进行了建模、装配，并在ADAMS环境下对其进行了运动学仿真，得到了相关的运动学和动力学仿真结果。分析结果表明，设计的非加持物体的驱动机构是切实可行的，并为后续的实时控制实验提供了基础。

参考文献:

[1] 李瑞涛，方湄，张文明，等. 虚拟样机技术的概念及应用[J]. 金属矿山，2000，7：38-40.

[2] 郑建荣. ADAMS—虚拟样机技术入门与提高[M]. 北京：机械工业出版社，2006：89-128.

[3] 刑仁涛. 超声电机驱动多关节机器人的设计与控制[D]. 南京：南京航空航天大学，2007：10-17.

[4] 邢仁涛，孙志峻，等. 应用超声电机的多关节机器人的设计与分析[J]. 振动、测试与诊断，2005，25(3)：179-181.

[5] Marc Ebner，Richard S. Wallace. A direct-drive hand: design，modeling and control[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation，1995：1668-1673.

[6] 熊有伦. 机器人技术基础[M]. 武汉：华中科技大学出版社，1995：32-51.

[7] 朱海荣，彭培英，熊义强，等. 基于 ADAMS 的往复活塞式压缩机运动机构仿真研究[J]. 机械设计与制造，2010：9，83-84.

[8] Mitsuru Higashimori、Yasutaka Omoto、Makoto Kaneko. Non-grasp Manipulation of Deformable Object by Using Pizza Handling Mechanism[J]. IEEE International Conference on Robotics and Automation，2009：120-125.

[9] Mitsuru Higashimori、Keisuke Utsumi、Yasutaka Omoto、Makoto Kaneko. Dynamic Manipulation Inspired by the Handling of a Pizza Peel[J]. IEEE TRANSACTIONS ON ROBOTICS，2009：829-838.

Research on Driving of Non-gripping Objects Based on ADAMS

LIU Wei-jiana，SUN Zhi-junb，ZHANG Quana

(a. College of Mechanical and Electrical Engineering，b. College of Aerospace Engineering，

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Nanjing 210016, China)

Abstract:For easily broken and deformable objects, it is unable to move them with the traditional gripping method, especially under the extreme conditions such as high temperature and radiation and strong magnetic fields. According to the above requirements，a prototype is designed to drive the non-gripping objects based on ultrasonic motor. The software Pro/E is used to develop the three-dimensional model, and then the kinematic and dynamic analysis are carried out using ADAMS. The simulation results provide the basis of the real-time experiment design.

Keywords:non-gripping; friction; ultrasonic motor; simulation

收稿日期：2014-11-05

中图分类号：TP391.9

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0113-05

作者简介：刘伟健，男，江苏江阴人，硕士，研究方向： 机电自动化及其控制系统。