专利名称：一种消防机器人手臂双耦合仿真方法
技术领域：
本发明涉及机械-液压系统仿真方法，特别是关于一种消防机器人手臂的双耦合动态仿真方法。
背景技术：
消防机器人在我国尚属新生事物，其各项研究较少，对于其工作装置的仿真分析优化也不多，国内外多数研究存在以下不足对整机模态分析、运动学仿真、静态分析较多， 结合有限元进行动力学方面的仿真研究较少；机器人手臂运动学与动力学仿真研究通常是在纯刚体运动和理想载荷的假设下进行的，忽略柔性部件的变形，会使结果与实际相去较远；通常忽略机械系统与液压系统的相互作用，所施加的驱动源一般为直接作用在伸缩液压缸移动副上或旋转马达转动副上的STEP函数，不能实时获得机械系统与液压系统共同作用下机构的相关参数。将CAD/CAE联合仿真技术应用于机器人手臂的研究中，对多种软件相结合的双耦合动态有限元仿真分析方法进行探索，对类似工作结构仿真方法的拟定提供一定的指导和参考。
发明内容
本发明的目的就是克服原有回路元件多、结构复杂、不适合直接建模仿真的上述缺点，提供一种消防机器人手臂的液压回路系统，得到液压回路与机械系统之间相互作用的模型，便于仿真分析。一种消防机器人手臂双耦合仿真方法，所述的消防机器人手臂包括基座、大臂油缸组、长连杆、短连杆、三角连杆、小臂、手爪油缸组、上手、下手、马达组件、小臂油缸组、大臂，双耦合仿真方法包括液压回路设计、Pro/e刚体建模、ANSYS柔性体建模、运动学动力学仿真、机液耦合仿真、刚柔耦合仿真、双耦合分析，所述液压回路设计是大臂油缸组、手爪油缸组、小臂油缸组的液压回路设计，所述Pro/e刚体建模得到大臂油缸组、长连杆、短连杆、三角连杆、小臂、手爪油缸组、上手、下手、马达组件、小臂油缸组、大臂的刚体模型，还包括得到刚体装配体的对上述刚体模型的装配操作，所述ANSYS柔性体建模得到大臂的ANSYS柔性体模型、小臂的ANSYS柔性体模型，所述运动学动力学仿真是对刚体装配体的运动学仿真、动力学仿真，所述机液耦合仿真是液压回路设计所得到的液压回路与刚体装配体的联合仿真，所述刚柔耦合仿真是大臂的ANSYS柔性体模型、小臂的ANSYS柔性体模型分别替换刚体装配体中的大臂、小臂的刚体模型，从而得到刚柔耦合模型，进行刚柔耦合仿真，所述双耦合分析是机液耦合仿真与刚柔耦合仿真的联合仿真。所述运动学仿真得到极限位置参数及形态。所述动力学分析得到液压缸受力、铰接点受力。所述刚柔耦合仿真得到工况转换时的机械振动情况。所述机液耦合仿真得到油缸、各个铰接点的振动情况。所述双耦合分析得到运动过程中薄弱部件的应力、应变。所述液压回路设计是基于ADAMS仿真软件中的ADAMS/Hydraulics液压模块；所述 Pro/e刚体建模是基于Pro/e软件中的草绘环境中绘制草图并利用基础特性绘制零件，得到主要零件的Pro/E三维图，并进行装配操作的过程。所述运动学动力学仿真是在添加约束和驱动、验证模型、添加驱动函数后进行的消防机器人刚体运动学分析、刚体逆动力学分析；所述机液耦合仿真是利用ftx)/e、ANSYS建模技术以及ADAMS液压仿真技术，建立液压系统虚拟模型，并对液压系统的动、静态特性分析。所述刚柔耦合仿真是针对建立的刚柔耦合模型，进行仿真分析，并得到动态有限元结果的仿真过程。所述双耦合分析针对典型工况、 基于刚柔耦合和机液耦合的联合仿真。本发明相对现有技术优点1、该方法主要用于消防机器人手臂的动态仿真与试验，便于从总体上把握应力、 应变及液压系统参数的变化规律，便于机械手臂的机械-液压仿真，节省仿真时间、提高仿真效率，缩短机器人手臂的设计周期。2、本发明不单对整机进行模态分析、运动学仿真、静态分析，而且结合有限元进行动力学方面的仿真研究，更加符合实际情况，便于整体把握。3、本发明的仿真研究不单是在纯刚体运动和理想载荷的假设下进行的，考虑柔性部件的变形，使结果与实际更加贴近。4、本发明考虑机械系统与液压系统的相互作用，所施加的驱动源不是直接作用在伸缩液压缸移动副上或旋转马达转动副上的STEP函数，而是作用在液压元件上，再进一步控制机械系统，可以实时获得机械系统与液压系统共同作用下机构的相关参数。5、本发明重视运动学动力学分析的基础作用，在查看机械手臂必要极限工作位置的同时与后续的双耦合仿真提供必要数据，有机结合。6、在运动学仿真部分得到极限位置参数及形态，根据结果进行改进后扩大了该机构的作业范围。7、在动力学分析部分得到的液压缸受力、铰接点受力为机液耦合参数初选及刚柔耦合仿真提供了基础数据。8、在刚柔耦合仿真部分得知工况转换时机械振动严重，根据结果采取延长工况转换时间、减少复合工况等操作方法，减小了因惯性力和驱动力相互作用产生的振动。9、在机液耦合仿真部分得知油缸和各个铰接点振动明显，根据结果在铰接点处增加橡胶垫片和衬套等阻尼元件，提高了零件的可靠性和使用寿命。10、在双耦合分析中得知运动过程中薄弱部件的应力、应变情况，整体把握后，对大臂、小臂进行了轻量化研究，使工作装置减重10 %左右。
图1是机械手臂结构图；图2是本发明消防机器人手臂双耦合仿真方法的流程示意图。
具体实施例方式1-基座；2-大臂油缸组；3-长连杆；4-短连杆；5-三角连杆；6_小臂；7_手爪油缸组；8-上手；9-下手；10-马达组；11-小臂油缸组；12-大臂。如图1所示，本发明的消防机器人手臂双耦合仿真方法，包括液压回路设计、Pro/ e刚体建模、ANSYS柔性体建模、运动学动力学仿真、机液耦合仿真、刚柔耦合仿真、双耦合分析，所述液压回路设计为机械手臂三组液压缸的液压回路设计，包括液压回路图的绘制、 液压元件的设置，所述刚体模型为全部刚体零件的建模、装配，将其导入到虚拟样机软件 ADAMS中可与柔性体模型组成刚柔耦合模型，将其导入到虚拟样机软件ADAMS中可与液压系统模型组成机液耦合模型，所述ANSYS柔性体为大臂柔性体和小臂柔性体，将其导入到虚拟样机软件ADAMS中可与刚体模型组成刚柔耦合模型，所述运动学动力学仿真为刚体装配体在添加约束、驱动并验证后的仿真，所述机液耦合仿真为液压系统与刚体装配体的仿真，所述刚柔耦合仿真为大臂柔性体、小臂柔性体与其它刚体零件的仿真，所述双耦合是机液耦合与刚柔耦合的结合，所述方法利于液压回路优化、整机轻量化、操作方案改进。本发明提供的一种消防机器人手臂双耦合仿真方法，所述仿真方法中的刚柔耦合模型通过等效BEAM梁单元进行连接，BEAM4单元组成的蛛网状梁单元束可以传递力和力矩，获得准确的受力结果，提高后续强度分析的精度。
权利要求
1.一种消防机器人手臂双耦合仿真方法，所述的消防机器人手臂包括基座、大臂油缸组、长连杆、短连杆、三角连杆、小臂、手爪油缸组、上手、下手、马达组件、小臂油缸组、大臂，其特征在于双耦合仿真方法包括液压回路设计、Pro/e刚体建模、ANSYS柔性体建模、 运动学动力学仿真、机液耦合仿真、刚柔耦合仿真、双耦合分析，所述液压回路设计是大臂油缸组、手爪油缸组、小臂油缸组的液压回路设计， 所述刚体建模得到大臂油缸组、长连杆、短连杆、三角连杆、小臂、手爪油缸组、 上手、下手、马达组件、小臂油缸组、大臂的Pro/e刚体模型，还包括得到刚体装配体的对上述刚体模型的装配操作，所述ANSYS柔性体建模得到大臂的ANSYS柔性体模型、小臂的ANSYS柔性体模型， 所述运动学动力学仿真是对刚体装配体的运动学仿真、动力学仿真， 所述机液耦合仿真是液压回路设计所得到的液压回路与刚体装配体的联合仿真， 所述刚柔耦合仿真是大臂的ANSYS柔性体模型、小臂的ANSYS柔性体模型分别替换刚体装配体中的大臂、小臂的刚体模型，从而得到刚柔耦合模型，进行刚柔耦合仿真， 所述双耦合分析是机液耦合仿真与刚柔耦合仿真的联合仿真。
2.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述运动学仿真得到极限位置参数及形态。
3.根据权利要求3所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述动力学分析得到液压缸受力、铰接点受力。
4.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述刚柔耦合仿真得到工况转换时的机械振动情况。
5.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述机液耦合仿真得到油缸、各个铰接点的振动情况。
6.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述双耦合分析得到运动过程中薄弱部件的应力、应变。
7.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述液压回路设计是基于ADAMS仿真软件中的ADAMS/Hydraulics液压模块；所述Pro/e刚体建模是基于Pro/e软件中的草绘环境中绘制草图并利用基础特性绘制零件，得到主要零件的Pro/E 三维图，并进行装配操作的过程。
8.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述运动学动力学仿真是在添加约束和驱动、验证模型、添加驱动函数后进行的消防机器人刚体运动学分析、刚体逆动力学分析；所述机液耦合仿真是利用ft~0/e、ANSYS建模技术以及ADAMS液压仿真技术，建立液压系统虚拟模型，并对液压系统的动、静态特性分析。
9.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述刚柔耦合仿真是针对建立的刚柔耦合模型，进行仿真分析，并得到动态有限元结果的仿真过程。
10.根据权利要求1所述的消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于所述双耦合分析针对典型工况、基于刚柔耦合和机液耦合的联合仿真。
全文摘要
一种消防机器人手臂双耦合仿真方法，其特征在于包括液压回路设计、Pro/e刚体建模、ANSYS柔性体建模、运动学动力学仿真、机液耦合仿真、刚柔耦合仿真、双耦合分析；刚柔耦合仿真是大臂的ANSYS柔性体模型、小臂的ANSYS柔性体模型分别替换刚体装配体中的大臂、小臂的刚体模型，从而得到刚柔耦合模型，进行刚柔耦合仿真；双耦合分析是机液耦合仿真与刚柔耦合仿真的联合仿真。该发明主要用于消防机器人手臂的动态仿真与试验，便于从总体上把握应力、应变及液压系统参数的变化规律，节省仿真时间、提高仿真效率，缩短机器人手臂的设计周期。
文档编号G06F17/50GK102222137SQ201110141360
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者于蓬, 张为春 申请人:山东理工大学