CN108153957A - 空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质 - Google Patents

空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质。其中，该方法包括以下步骤：采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；根据各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行起本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。本发明缩短了设计、协调链条和周期，快速开展迭代优化设计，规避了复杂的控制算法，极大地提高了工作效率。

Description

空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质
技术领域
本发明属于空间机构***技术领域，尤其涉及一种空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质。
背景技术
空间机械臂在空间在轨执行抓捕、维修等任务中发挥着重要作用，在运动过程中受抓捕对象位置不确定性及周边设备的限制，其运动范围、抓捕方式如按照常规解算方法会导致机械臂的控制难度增大，路径规划解算复杂，无法及时获得有效数据。
发明内容
针对上述问题提出一种基于数据驱动空间机械臂运动路径规划及可变参数的动力学仿真设计方法，并以七自由度机械臂为例，通过既定参数的调整可快速获得机械臂的路径规划，并通过路径规划数据驱动实现机械臂的动力学仿真，实现了快速获得机械臂运动路径参数和机械臂各项力和力矩及干扰参数等。该成果可为总体方案的选择、设计、分析提供参考依据，极大地缩短了设计、协调链条和周期，快速开展迭代优化设计。
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间机械臂动力学仿真分析方法、***及存储介质，缩短了设计、协调链条和周期，快速开展迭代优化设计，规避了复杂的控制算法，极大地提高了工作效率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种空间机械臂动力学仿真分析方法，所述方法包括以下步骤：步骤一：采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；步骤二：对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将步骤一中的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；步骤三：根据步骤二中的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行器本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
上述空间机械臂动力学仿真分析方法中，在步骤一中，运动轨迹数据为每个运动时间点所对应的机械臂各个关节的转角的角度。
上述空间机械臂动力学仿真分析方法中，在步骤一中，三维软件为CATIA软件。
上述空间机械臂动力学仿真分析方法中，在步骤一中，采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
上述空间机械臂动力学仿真分析方法中，空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型包括第一电机、第一连杆、第二电机、第二连杆、第三电机、第三连杆、第四电机、第四连杆、第五电机、第五连杆、第六电机、第六连杆、第七电机和第七连杆；其中，第一连杆的一端嵌设于第一电机，另一端与第三电机关节连接；第三连杆的一端嵌设于第三电机，另一端与第四连杆的一端固定连接；第四连杆的另一端嵌设于第四电机；第五连杆的一端嵌设于第五电机，另一端与第四电机关节连接；第六连杆的一端嵌设于第六电机，另一端与第五电机关节连接；第七连杆的一端嵌设于第七电机，另一端与第六电机关节连接；机械爪与第七电机关节连接。
根据本发明的另一个方面，还提供了一种空间机械臂动力学仿真分析***，包括：第一模块，用于采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；第二模块，用于对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将第一模块的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；第三模块，用于根据第二模块的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行器本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
上述空间机械臂动力学仿真分析***中，所述运动轨迹数据为每个运动时间点所对应的机械臂各个关节的转角的角度。
上述空间机械臂动力学仿真分析***中，所述三维软件为CATIA软件。
上述空间机械臂动力学仿真分析***中，采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
根据本发明的又一个方面，还提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行本发明的一个方面的一个或多个的方法。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明通过建立CATIA机构运动模型，合理规划了七自由度机械臂抓捕合作目标物体运动轨迹，为ADAMS的动力学仿真提供了各个关节的驱动预置角度。
(2)本发明利用CATIA模型建立的运动轨迹完成了基于ADAMS对七自由度机械臂动力学仿真，获得了各个关节的驱动力和力矩随时间的变化曲线。
(3)本发明为空间机械臂的运动提供快速、有效的分析提供了一种新的方法和手段，并且适用于其它类型机械臂。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型的原理示意图；
图2是本发明实施例提供的空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型的示意图；
图3是本发明实施例提供的第一电机的预置角度曲线的示意图；
图4是本发明实施例提供的第二电机的预置角度曲线的示意图；
图5是本发明实施例提供的第三电机的预置角度曲线的示意图；
图6是本发明实施例提供的第四电机的预置角度曲线的示意图；
图7是本发明实施例提供的第五电机的预置角度曲线的示意图；
图8是本发明实施例提供的第六电机的预置角度曲线的示意图；
图9是本发明实施例提供的第七电机的预置角度曲线的示意图；
图10(a)是本发明实施例提供的七自由度机械臂ADAMS仿真模型的初始状态的示意图；
图10(b)是本发明实施例提供的七自由度机械臂ADAMS仿真模型的展开状态的示意图；
图10(c)是本发明实施例提供的七自由度机械臂ADAMS仿真模型的抓捕状态的示意图；
图10(d)是本发明实施例提供的七自由度机械臂ADAMS仿真模型的提升状态的示意图；
图10(e)是本发明实施例提供的七自由度机械臂ADAMS仿真模型的提升翻转状态的示意图；
图11是本发明实施例提供的机械臂末端机械手相对于坐标原点运动轨迹的示意图；
图12是本发明实施例提供的在飞行器连接处机械臂对飞行器的干扰力以及力矩的示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例提供了一种空间机械臂动力学仿真分析方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；
步骤二：对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将步骤一中的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；
步骤三：根据步骤二中的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行起本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
在步骤一中，三维软件为CATIA软件，运动轨迹数据为每个运动时间点所对应的机械臂各个关节的转角的角度。
在步骤一中，采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
如图1所示，空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型包括第一电机1、第一连杆、第二电机2、第二连杆、第三电机3、第三连杆、第四电机4、第四连杆、第五电机5、第五连杆、第六电机6、第六连杆和第七电机7、第七连杆；其中，第一连杆的一端嵌设于第一电机1，另一端与第三电机3关节连接；第三连杆的一端嵌设于第三电机3，另一端与第四连杆的一端固定连接；第四连杆的另一端嵌设于第四电机4；第五连杆的一端嵌设于第五电机5，另一端与第四电机4关节连接；第六连杆的一端嵌设于第六电机6，另一端与第五电机5关节连接；第七连杆的一端嵌设于第七电机7，另一端与第六电机6关节连接；机械爪与第七电机7关节连接。
具体的，本实施例采用了CATIA和ADAMS结合的方法，1)采用CATIA对七自由度机械臂进行运动仿真，获得运动轨迹数据；2)建立参数化的机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将第一步获得的机械臂运动轨迹数据导入到ADAMS中；3)设置机械臂运动仿真相关参数并分析，从而获得所需机械臂的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力情况。
七自由度机械臂机构原理：
该七自由度机械臂是由7个转动关节组成，每一个转动关节由旋转电机驱动，机构简图如图1所示。图中机械臂杆件编号和电机编号从底座至末端执行器依次为1，2，…，7。该机械臂是一个高度非线性、强耦合、位姿时变的多变量***。
通过D-H法分析，可获得其七自由度机械臂连杆参数见表1。
表1七自由度机械臂连杆参数表
七自由度机械臂CATIA仿真模型轨迹规划：
机械臂在运动过程中，不仅需要末端执行器达到期望的位置和姿态，还需考虑与其它设备进行避让，合理规划运动路径，避免机械臂在运动时与其它设备易产生干涉。
基于CATIA轨迹规划过程：
1)建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；
2)设置各转动部件运动关系；
3)设置机械臂各个转角的角度；
4)依据运动结果修正设置参数。
图2为建立的七自由度机械臂CATIA模型。
七自由度机械臂建模：
在ADAMS仿真软件中，根据D-H机械臂连杆参数表，建立参数化的ADAMS机械臂电机和杆件模型。对建立完毕的杆件模型添加约束、摩擦、接触力和驱动等，并依据模型运动关节预置角度(如图3至图9所示)设置各个关节的运动转角，最终建立了参数化机械臂ADAMS仿真模型(见图10(a)至图10(e))，其中图中方块为机械臂需要抓捕物体，最后对机械臂和抓捕物体按要求赋质量属性。
由于参数化的机械臂模型与CATIA模型中建立的机械臂模型存在视觉差异，必要时可将CATIA三维模型中的机械臂导入到ADAMS中，此时导入的模型为无质量特性的虚壳，在动力学仿真过程中无作用。
基于ADAMS动力学仿真
对建立完的机械臂模型，还不能实现机械臂的抓捕、释放动作，需要编制机械臂的运动脚本，并按照脚本进行仿真。通过脚本仿真，可以直接得到机械臂各运动电机的围绕设定质心的力和力矩，即是机械臂抓捕过程对飞行器本体的干扰力和力矩。
图11为机械臂末端机械手相对于坐标原点运动轨迹的示意图。图12为在飞行器连接处机械臂对飞行器的干扰力以及力矩的示意图。
本实施例通过建立CATIA机构运动模型，合理规划了七自由度机械臂抓捕合作目标物体运动轨迹，为ADAMS的动力学仿真提供了各个关节的驱动预置角度。并且本实施例利用CATIA模型建立的运动轨迹完成了基于ADAMS对七自由度机械臂动力学仿真，获得了各个关节的驱动力和力矩随时间的变化曲线。并且本实施例为空间机械臂的运动提供快速、有效的分析提供了一种新的方法和手段，并且适用于其它类型机械臂。
本实施例还提供了一种空间机械臂动力学仿真分析***，该***包括第一模块、第二模块和第三模块。其中，第一模块，用于采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；第二模块，用于对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将第一模块的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；第三模块，用于根据第二模块的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行起本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
上述实施例中，三维软件为CATIA软件，采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
本实施例还提供了一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行空间机械臂动力学仿真分析方法。
本实施例通过建立CATIA机构运动模型，合理规划了七自由度机械臂抓捕合作目标物体运动轨迹，为ADAMS的动力学仿真提供了各个关节的驱动预置角度。并且本实施例利用CATIA模型建立的运动轨迹完成了基于ADAMS对七自由度机械臂动力学仿真，获得了各个关节的驱动力和力矩随时间的变化曲线。并且本实施例为空间机械臂的运动提供快速、有效的分析提供了一种新的方法和手段，并且适用于其它类型机械臂。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种空间机械臂动力学仿真分析方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一：采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；
步骤二：对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将步骤一中的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；
步骤三：根据步骤二中的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行器本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
2.根据权利要求1所述的空间机械臂动力学仿真分析方法，其特征在于：在步骤一中，运动轨迹数据为每个运动时间点所对应的机械臂各个关节的转角的角度。
3.根据权利要求1所述的空间机械臂动力学仿真分析方法，其特征在于：在步骤一中，三维软件为CATIA软件。
4.根据权利要求3所述的空间机械臂动力学仿真分析方法，其特征在于：在步骤一中，采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
5.根据权利要求4所述的空间机械臂动力学仿真分析方法，其特征在于：空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型包括第一电机(1)、第一连杆、第二电机(2)、第二连杆、第三电机(3)、第三连杆、第四电机(4)、第四连杆、第五电机(5)、第五连杆、第六电机(6)、第六连杆、第七电机(7)和第七连杆；其中，第一连杆的一端嵌设于第一电机(1)，另一端与第三电机(3)关节连接；第三连杆的一端嵌设于第三电机(3)，另一端与第四连杆的一端固定连接；第四连杆的另一端嵌设于第四电机(4)；第五连杆的一端嵌设于第五电机(5)，另一端与第四电机(4)关节连接；第六连杆的一端嵌设于第六电机(6)，另一端与第五电机(5)关节连接；第七连杆的一端嵌设于第七电机(7)，另一端与第六电机(6)关节连接；机械爪与第七电机(7)关节连接。
6.一种空间机械臂动力学仿真分析***，其特征在于包括：
第一模块，用于采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真，获得运动轨迹数据，根据运动轨迹数据得到机械臂各个关节的角速度和角加速度；
第二模块，用于对七自由度机械臂建立机械臂动力学仿真ADAMS模型，并将第一模块的运动轨迹数据添加到机械臂动力学仿真ADAMS模型得到机械臂动力学仿真ADAMS模型中的各个关节的驱动源；
第三模块，用于根据第二模块的各个关节的驱动源驱动机械臂各个关节的运动，得到机械臂对飞行起本体各个时间点的干扰力及力矩以及机械臂各个关节的受力。
7.根据权利要求6所述的空间机械臂动力学仿真分析***，其特征在于：所述运动轨迹数据为每个运动时间点所对应的机械臂各个关节的转角的角度。
8.根据权利要求6所述的空间机械臂动力学仿真分析***，其特征在于：所述三维软件为CATIA软件。
9.根据权利要求8所述的空间机械臂动力学仿真分析***，其特征在于：采用三维软件对七自由度机械臂进行机构运动仿真包括：采用三维软件对七自由度机械臂建立空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型；对空间七自由度机械臂CATIA机构运动模型进行机构运动仿真。
10.一个或多个机器可读介质，其上存储有指令，当由一个或多个处理器执行时，使得设备执行如权利要求1-5中的一个或多个的方法。
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