基于RecurDyn的双SCARA机器人动力学分析

摘 要： 提出一种可用于微小零部件装配作业的新的双SCARA并联机器人，其有三个自由度：两个平动和一个转动。利用参数化三维建模软件UG对双SCARA并联机器人进行三维实体建模，同时将模型导入Recurdyn仿真软件，构建双SCARA并联机器人的虚拟样机。通过设置相应的仿真环境和仿真参数进行仿真分析，得出机器人各个关节的驱动力矩随时间变化的曲线，为该并联机器人的控制问题和机构优化提供技术基础。

关键词：并联机构；虚拟样机；关节力矩；仿真分析

并联机器人系统具备着特有的高精度、高刚度、高承载力、自重负荷小等多方面优点，自问世以来就引起极大关注。在很多特定的工业场合，例如涉及到大量微小零部件的装配作业，通过使用平面五杆机构进行操作，可以将并联机构便于控制，重复定位能力高，成本低等方面的优势能更为明显的体现出来。伴随着技术的不断完善和发展，该平面并联机器人技术必然会被更为广泛地应用在工业自动化生产领域中。

通过虚拟样机技术对机电系统进行动力学、静力学分析，不仅可以为设计方案的優化和控制系统的开发提供可靠的依据，还可以大大减少物理样机的制造成本和实验次数，大幅缩短产品开发周期，有效提升产品质量并降低开发成本。因此，在知识经济背景下，对机器人系统进行虚拟样机及其技术的研究和开发，可以更高质量地提高产品性能，完成对快速变化市场的敏捷响应。

1 双SCARA机器人结构

双SCARA机器人的结构如图1所示，由4个连杆及其支架，三个电机及末端手爪组成。连杆之间，连杆与支架之间均为旋转副连接。该机器人有三个自由度，可以实现平面上沿着两个坐标轴（X轴、Y轴）方向上的平动和绕着一个坐标轴（Z轴）的转动。需要指出的是，XY平面内的平动是由该机器人机构中的平面五杆机构的运动来实现的，而末端抓手的转动则是由轴3，通过安装在连杆4上的一个电机来实现的。

2 仿真模型的建立

在UG中按照设计尺寸对双SCARA机器人机构进行了三维建模，再将UG软件内已经装配好的机器人系统模型导出为Parasolid格式文件，再导入到Recurdyn仿真软件内，作为基本模型。由于整个机器人系统结构复杂，每个关节内部的运动也较复杂，如果做出完全理想的运动仿真需要相当大的难度和运算量，而且本文构建的虚拟样机系统仅仅侧重于对双臂系统整体的运动学和动力学建模仿真分析，所以可以对关节内部结构进行一定的简化，即采用Recurdyn仿真软件的Boolean功能对关节内部零部件进行了合并，将对应的电机和关节轴视为一个整体来进行讨论和分析。

建立和简化模型结构后，利用Recurdyn仿真软件中Connectors模块，根据各关节、连接件、连杆等部件之间的约束关系，添加约束副；再利用Motions模块，模仿主动关节的电机输出，建立关节驱动。在本文的面向双SCARA机器人系统的仿真实验中，设置三个主动关节的转速均为0.3rad/s。

3 仿真分析

本文的仿真实验是对双SCARA机器人进行虚动力学仿真和分析。该机器人共有6个关节，均为转动关节，其中关节1，关节2，关节6（对应于轴1、轴2、轴3）为主动关节。动力学仿真实验就是提供给这三个关节驱动，使机器人末端实现一定的位置和姿态的变化。

利用Recurdyn软件中的仿真分析工具箱，设置 仿真时间为5s，仿真工作步数为500步。对双SCARA机器人进行仿真计算，得到的结果如图2所示。

图2为关节1和关节2的驱动力矩变化曲线，图3为关节6的驱动力矩变化曲线。两个关节均为匀速运动，但是由于重力和转动惯量变化的影响，所需要的驱动力矩在运动过程中是不断的变化的。图4为关节6的驱动力矩的变化曲线，很明显，关节6所需的驱动力矩明显小于关节1和关节2的驱动力矩，这是因为关节6的运动仅仅收到末端连杆和手爪的影响。由各主动关节驱动力矩的曲线图可以得到任意时刻各关节所需要的驱动力矩值，从而为机构的优化设计和控制系统的设计开发提供了理论基础。

4 结论

针对提出的双SCARA并联机器人机构，搭建了冗余双臂机器人系统的虚拟样机。利用虚拟样机系统，对双SCARA并联机器人的动力学分析问题进行虚拟样机仿真分析，得到各个关节的驱动力矩曲线，从而为进一步控制和机构优化问题研究提供依据。

参考文献：

[1]苑丹丹，邓三鹏，王仲民.基于蒙特卡洛法的模块化机器人工作空间分析[J].机床与液压，2017，45（11）：912.

[2]潘平盛.论机械系统虚拟样机技术的研究与开发[J].现代制造技术与装备，2018（02）：79，83.

基金项目：陕西国防工业职业技术学院基金项目（Gfy1725）

作者简介：申浩宇（1986），男，讲师，主要研究方向：机器人动力学及控制。