本次六维力传感器重力补偿仿真验证基于MATLAB和Adams联合仿真。MATLAB作为一款数学运算软件,主要用于算法开发、数据分析;Adams可以创建具有约束、静力学、动力学的工作环境,通过一定的方程运算得到机械系统的位移、速度曲线以及载荷分布、碰撞检测等。

根据IRB2600机器人各连杆长度、偏移参数a1,a2,d1,d4的值;末端工具重力大小设为100 N,方向是基坐标系z轴的负方向,相对位置关系为spTo=[115-50 55]T,取θ1∈[0,-π/6]rad,θ2∈[-π/2,-2π/3]rad,θ3∈[0,-π/6]rad,θ4∈[0,-π/6]rad,θ5∈[π/2,π/3]rad,θ6∈[0,-π/6]rad,关节转动变量为3 rad/s。打开MATLAB仿真软件,将假设已知量和运算公式导入其中,如图7-14所示,是重力补偿x,y,z方向上的力/力矩曲线变化图。

图7-14　三向分力/力矩补偿曲线

由重力补偿曲线图可以发现,工具自身重力随着机器人末端的位姿变化,在力传感器上的力/力矩也实时变化,消除了机器人末端工具重力对测量结果带来的偏差,保证了力传感器的检测精度。

下面通过Adams仿真软件对机器人进行重力补偿,具体的验证流程如下:

1)机械系统建模

因为Adams建模能力较弱,一般适合结构简单、形状较规则的零件建模,对于复杂的机器人力觉示教系统虚拟样机,本文选择中性格式文件导入的方式导入样机模型。首先在SolidWorks软件创建IRB2600机器人的三维模型,然后将其保存成Parasolid(∗.x_t)格式文件;然后打开Adams/View2012仿真软件,选择“New Model”创建新文件,单击“File→Import”,在出现的窗口中,设定“File Type”一栏的文件类型为 “Parasolid” 文件,最后在 “File To Read”的右侧空白栏中双击,选择之前保存的Parasolid(∗.x_t)文件打开,即可将IRB2600机器人虚拟样机导入Adams中,如图7-15所示。

机械模型导入后,定义各零部件的材料、质量等相关属性,使仿真模型尽可能与IRB2600机器人实际物理属性相近。

最后根据机器人力觉示教系统模型的结构添加约束。本模型共需添加两种约束:固定约束——Fixed Joint和转动约束——Revolute Joint。在 “Connectors”一栏中,选择需要的约束,设置零件的连接方式为“2Bodies-1Location”,约束方向为“Normal To Gird”;分别选择约束所连接的两个零件“First Body”和“Second Body”。本机器人虚拟样添加的所有约束关系如表7-2所示。

图7-15　IRB2600机器人仿真模型(www.daowen.com)

表7-2　机器人约束关系

2)仿真分析

进行运动仿真,首先要为模型添加驱动。在主工具箱中“Motions”一栏,选择“Rotational Joint Motion”旋转驱动,然后依次在模型的腰关节、大臂关节、臂肘关节、小臂关节、腕摆关节、腕转关节添加转动驱动。

按照数值算例中描述的运动,定义机器人各关节旋转驱动函数。依次对旋转驱动“MOTION_1”至“MOTION_6”右击选择“Modify”,在弹出的约束驱动窗口中编辑驱动函数为:Function(time)=3.0d∗time。

在主工具箱的“Simulation”一栏单击仿真按钮,弹出仿真控制窗口“Simulation Control”,设置仿真时间为t=10 s,仿真步数step=500,单击开始仿真按钮,进行重力补偿的运动仿真。

3)仿真结果分析

单击仿真控制窗口中的后处理按钮,进入“Adams/PostProcessor2012”后处理界面,测量传感器坐标系三个方向的力和力矩,生成六维力传感器的力与力矩测量曲线,如图7-16所示。

图7-16　三向分力/力矩的补偿测量值

由图7-14和图7-16对比可得,实际机构运动仿真曲线图和数学运算仿真曲线图基本吻合,故重力补偿算法是真实有效的。