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

董其维

(四川机电职业技术学院， 四川 攀枝花 617000)



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

董其维

(四川机电职业技术学院， 四川 攀枝花 617000)

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。

采摘机械手；联合仿真；夹紧装置；优化设计；ADMAS

0 引言

在复杂机械产品的设计开发过程中，虚拟样机技术已经成为一种重要的研发手段，为产品的开发提供了一种虚拟化的模式，可以很好地解决物理实体样机开发模式带来的各种弊端。采摘机械手属于较为复杂的机械模型，如单纯采用CAD软件，其建模能力会显得不足；而Pro/E软件具有强大的建模能力，且与ADAMS软件有良好的兼容接口，可以方便地实现模型的转换和数据传输。利用联合仿真方法可以充分地发挥两种软件各自的专长，实现高效率的机械产品仿真设计。本研究将Pro/E和ADAMS软件的联合仿真功能应用到了机械手的夹紧力计算和同步优化设计过程中，通过对仿真模拟结果的对比，以期得到合理的机械手结构尺寸。

1 采摘机械手夹紧装置优化

采摘机械人机械手夹紧装置的夹紧力设计不合理，极易造成采摘果实的机械损伤，影响采摘效率和采摘质量。为了避免机械手对果实造成的损失，一般采用质地较软的材料对果实进行保护。但是，影响夹紧力的根本因素是机械手的尺寸，机械手指的长宽比对果实和机械手的接触力影响较大。如果采用物理实验方法对其进行优化设计，需要制作多组机械手，开发周期长、实验成本高；而如果采用图1所示的优化设计流程，可以解决这个问题。

图1 夹紧装置优化设计流程

其具体步骤：首先，根据设计经验初步确定机械手手指的长宽比，采用Pro/E软件建立机械手的仿真模型，将模型导入到ADAMS软件中进行运动学和动力学仿真，得到夹紧力的计算结果；在建立多组不同的手指形状，重新计算夹紧力；通过结果的对比，优化装置形状的设计。其中，最重要的步骤是ADAMS的仿真计算过程，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

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1 ADAMS常用的运动副和自由度约束的个数

采摘机械手的自由度个数可以通过式(1)进行计算,有

(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

(2)

(3)

其中，λ表示采摘机器人机械手夹紧力矩阵；F表示系统的动力学微分方程；y表示完整的代数约束方程；G表示非完整的约束方程。对于该方程的求解，由于系统的自由度为0，因此只需要求解系统的约束方程，则有

(4)

该方程的求解需要采用预估校正方法，利用Taylor级数根据当前系统的状态可以预估下一个时刻系统的状态矢量值，由

(5)

其中，h=tn+1-tn表示时间步长，为了提高计算的准确性，利用吉尔k+1阶积分求解程序来进行校正，有

(6)

其中，β0、ai表示吉尔积分程序的系数值，公式还可以写成

(7)

将式(3)在t=tn+1时刻展开可得

(8)

对于tn时刻速度、加速度的确定，可由约束方程求一阶、二阶时间导数得到，则有

(9)

对于tn时采摘机器人机械手夹紧力的确定，可由带乘子拉格朗日方程得到，则有

(10)

将公式在t=tn+1时刻展开，得

(11)

ADAMS使用修正的牛顿-拉夫森迭代方法求解上面的非线性方程，其迭代校正公式为

(12)

其中，j表示第j次迭代，则有

Δqj=qj+1-qj,Δvj=vj+1-vj,Δλj-λj+1-λj

(13)

3 Pro/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File To Read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

图4 导入后的机械手模型

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

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。据此，本次研究对不同采摘机器人机械手指的形状进行了优化，并通过仿真计算得到了不同长宽比夹紧手指的夹紧力，其计算结果如表2所示。

表2 夹紧装置不同形状下的夹紧力计算结果

由计算结果可以看出，不同长宽比形状的机械手指获得的夹紧力均有所不同。对于一般类型的果实，假设果实破碎的夹紧力阈值为30N，从总体数据可以看出，机械手指的夹紧力均未超过水果破碎的夹紧力阈值。在手指长宽比为3.5时，在不超过果实破碎夹紧力阈值的前提下，可以产生最大的夹紧力。

4 结论

依据ADAMS中拉格朗日乘子法系统运动方程，建立了采摘机器人机械手的多体系统动力学模型，并利用Pro/E软件建立了机械手的数值化模型，将模型导入到ADAMS软件中进行了仿真计算，最后利用ADAMS软件的后处理功能输出了夹紧力随时间的变化曲线。由仿真计算结果可以看出：对于不同长宽比形状的机械手指获得的夹紧力均有所不同，当手指长宽比为3.5时，在不超过果实破碎夹紧力阈值的前提下，可以产生最大的夹紧力。可以利用该结果对机械手进行优化设计，而水果的破碎夹紧力阈值可以人为进行设定。该方法有效地缩短了产品的研发周期，节省了物理实验成本，对采摘机器人的优化设计具有重要的意义。

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Optimization Design for Clamping Device of Picking Robot Manipulator Based on the Co-simulation of ADAMS and Pro/E

Dong Qiwei

(Sichuan Electromechanical Institute of Vocation and Technology, Panzhihua 617000, China)

In the operation process of the picking robot, the mechanical damage of fruit is one of the main factors that affect the picking effect. In order to reduce the picking manipulator on fruit damage, shorten the design cycle, reduce the experimental cost, it puts forward the optimization design method of a new manipulator clamping device. The method uses the software of virtual simulation function to realize the virtual environment under the clamping bodies clamping force calculation and synchronous optimization. By constructing the picking manipulator virtual prototype of multi agent system frame, it designs the picking manipulator simulation of multi body dynamics model. And the digital model of the manipulator is established by Pro / E, which is imported to Adams were simulation analysis. By calculating the clamping force of the different manipulator finger size and the clamping force of the simulation results,it can get in no more than fruit broken clamping force threshold, which corresponds to the maximum clamping force of the mechanical finger length to width ratio, to effective relationship manipulator design cycle, improve the design efficiency, which provides important reference data for the picking robot research.

manipulator; co-simulation; clamping device; optimization design; ADMAS

2016-03-10

四川省自然科学基金项目(2015NZG446)

董其维(1972-)，男，四川攀枝花人，讲师，硕士，(E-mail)dqw1972@qq.com。

S225；TP241

A

1003-188X(2017)05-0226-05