基于虚拟样机技术的移液机械臂的设计与研究

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Design and Research of Robot Arm for Transfering Pipette Based onVirtual Prototype TechnologyJIANG Feng-rain，GU0 Wei-dong ，ZHANG Peng ，ZHAO Yong-h)(1.School of Mechanical Engineering and Autonmtion，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191China；2.Research Center，Xiyuan Hospital of China Academy of Chinese Medical Sciences，Beijing 10009l，China)Abstract：Mechanical system and CONTROL systemfor robot(”In were designed based on the virtual prototype technology.Itcan be rased to transferpipete in crystallization andolation r Baicalin.First，a three-dimensional model withfourJkeedomsWas built n SOLIDWORKS$oware.Then.the formatted modez 椰 imported nto ADAMS for kinentatic and dynamicsimulation.Next.CONTROL system established in SIMUI INK modular and ADAMS/CONTROL c used to pass databetween MATLAB and ADAMS.A t last，finite element analysis 椰 implemented by using ANSYS softw(Lre. e simulationresults which can fP optimize the design and improve the eficiency indicate that co-simulation based on muhi-s wareS isofgreat importance for the design ofcomplex electromechanical systems。

Key W ords：Baicalin；Virtual Prototype Technology；SOLIDW ORKS；ADAMS；MATLAB；ANSYSl I商黄芩苷(Baicalin，BC)是中药黄芩中的主要成分，具有抗炎 、抗变态反应(HIV)、泻火、解毒等作用l I。鉴于其物理化学特性，目前，对黄芩苷分离提纯主要采用结晶法I21。

虚拟样机技术的基础，主要包括五个方面：几何建模 、多物理场仿真、系统动力学仿真、控制系统仿真和样机测试[31。运用虚拟样机技术，可以大大简化机电产品的设计开发过程，大幅度缩短产品开发周期和降低开发费用 ，提高产品的系统级性能 。

通过减少人为因素的十扰，能够降低批间差，提高生产效率，为黄芩苷的在线生产打下基矗为了降低成本，减少反复试验的次数，运用 SOLIDWORKS、ADAMS、MATLAB建立基于虚拟样机技术的机械系统和控制系统，运用 ANSYS对机械系统关键零部件进行有限元分析。最终，评价建模和仿真的结果，优化设计方案。

2虚拟样机机械系统设计2.1需求分析在结晶法制备黄芩苷的过程中，移液机械臂应快速准确地将装有黄芩提取液的移液管由水浴烧杯搬运至激光粒度仪进样域，并驱动移液管取样和放样。

要完成以上任务，移液机械臂需要具有四个自南度，分别是腰部转动、工作平台上下移动、执行机构定轴转动、操作末端驱动移液管活塞上下移动，机构简图，如图 1所示。

22机械结构设计为了准确建立移液机械臂的三维模型，选用 SOLIDWORKS维设计软件。移液机械臂的四个关节包括两个转动关节和两个移动关节。为了提高传动精度和机械系统的刚性，腰部转动关节采用直流伺服电机匹配精密行星轮减速器的传动系统，移动平台采用直流伺服电机匹配精密行星轮减速器驱动精密滚珠丝札的传动系统 ，腕部转动关节采用高精度舵机传动，执行机构采用高来稿日期：2012-05-27基金项目：国家自然科学基金项目(81073060)作者简介：姜风敏，(1986-)，女(满)，河北，在渎硕士研究生，主要研究方向：机电-体化，机器人技术郭卫东，(1962-)，男，北京，教授，主要研究方向：机电 体化，机器人技术第 3期 姜凤敏等：基于虚拟样机技术的移液机械臂的设计与研究 95精度舵机匹配凸轮机构进行传动 。

图 1机构简图Fig.1 Skeleton of Mechanism2.3运动仿真系统设计ADAMS具有强大的仿真计算能力，但是不方便建立精确复杂的三维模型，多数情况下采用三维设计软件设计三维图形再导人 ADAMS中。应用 ADAMS对模型进行分析 ，为了缩短仿真时间和难度，在保证仿真精度的前提下 ，可以对模型进行适当简化。首先，将三维模型以 Parasolid格式导入 ADAMS中，读入方式可以是以模型(Mode1)方式或以构件(Part)方式分层引人或整体引入。其次，依次为各个构件添加几何屙f生和质量属性，底座构件采用 A3钢材质，支架类构件均采用铝合金材质，导柱类构件采用合金钢材质 ，执行机构部分采用尼龙 66材质。再次，在调整好坐标系、图标、工作网格后，依次添加各个构件之间的运动副和约束，主要涉及螺旋副、移动副和转动副等。在有回转运动的关节处添加转动约束 ，在有移动关系的关节处添加移动约束，在丝杠与大螺母部分添加螺旋副约束，在没有相互运动关系的连接处添加固定约束。最后，添加驱动力和运动激励并进行仿真，通过曲线图观察运动参数的变化情况。依此顺序，通过对三维模型进行仿真，评价设计方案的可行性。

3虚拟样机控制系统设计3.1控制系统原理分析- 般来讲，舵机主要由舵盘、减速齿轮组、位反馈电位计 5k、直流电机、控制电路板等组成∝制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动-系列齿轮组 ，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，电位计可以实时反馈-个电压信号到控制电路板，控制电路板根据当前位置决定电机的转动方向和速度，从而到达目标位置。因此，舵机是-种位置伺服的驱动器，转动范围-般不能超过 180。，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中，移液机械臂的腕部关节和执行机构都采用舵机驱动。

对于移液机械臂的腰部转动关节和工作平台上下移动关节，需要精确跟踪指定的轨迹曲线，采用直流伺服系统进行驱动，控制结构 ，如图2所示。

移液机械臂是串联结构 ，可通过控制各个关节位置角度使末端执行机构达到预期要求的目标位置，这就要求对各个关节的位置角度进行精确控制。同时，为了提高控制系统的动态特性和稳态特性，采用 PID位置控制模式。增大比例增益，可以提高系统的硬度；增大微分增益，可以改善系统的动态性能；增大积分增益，能够使系统消除稳态误差，提高无差度。

4倍频反馈信号图 2控制结构Fig.2 Control Structure3.2联合仿真将 ADAMS机械系统动力学建模分析与其他软件工具进行联合仿真，可为工程项目开发和系统设计提供-种更高效的手段。利用 ADAMS与 MATIAB进行联合仿真，可以实现在计算机上仿真复杂机电系统的动力学特性。主要包括：创建机械系统模型、模型参数设置 、建立基于 MATLAB/SIMULINK的控制模型、结果后处理等四个步骤。

ADAMS软件中的 ADAMS/CONTRO1 拈可以实现 ADAMS与 MATLAB之间的数据传递ts]。为了实现移液机械臂机械系统与移液机械臂控制系统之间的参数传递 ，首先，在 ADAMS中建立联合仿真系统所需要的8个状态变量，包括4个控制转矩变量，4个关节位置变量。ADAMS软件利用其专有的函数实时地调用控制系统输出的控制转矩值作为该时刻的转矩指令驱动移液机械臂的关节运动，移液机械臂的各个关节的位置变量又可以被实时地反馈给控制系统，从而构成了完整的负反馈闭环控制系统，实现关节位置的精确控制4重要零部件有限元分析ANSYS是世界著名的有限元分析软件，可以进行结构静力学分析和结构动力学分析，在惯性和阻尼对结构的影响不明显的情况下19，采用静力学分析方法对移液机械臂的支撑板进行有限无分析，为了减衅算量，将模型简化后导人ANSYS，采用SOLID92十节点 0l进行网格划分，添加约束和负载，根据第四强度理论得到支撑板的von-mise力分析图，如图3所示。同时，可以得到支撑板在 方向的应力、应变图，如图4、图5所示∩以看出，在支撑板的尖角位置应力集中比较严重，在支撑板悬臂的最远端应变最大♂合强度要求和材质的性能，应力应变均在许用应力应变范围内，符合设计要求。

图3支撑板有限元分析von-mise应力图Fig.3 Von-inise Stress Diagram of the Support Plate机 械 设计 与制 造No.3Mar.201 3图4支撑板有限元分析 方向应力图Fig.4 X-scale Stress Diagram of the Support Plate图5支撑板有限元分析 X方向应变图Fig.5 X-Scale Strain Diagram of the Support Plate5结论基于虚拟样机技术的设计方法，在避免反复修改物理样机的前提下，实现了机械系统和控制的联合仿真和设计，大大提高了设计效率，降低了开发成本。

基于多软件仿真分析的方法是适用于复杂机电系统设计的通用方法。SOLIDWORKS是-款功能强大的三维设计软件，ADAMS的优势在于机械系统动力学仿真，MATLAB的强项在于控制系统设计与仿真，ANSYS是通用有限元分析软件。综合以上软件的功能和特点，完整的探讨了几者之间数据传递的关键，通过仿真分析优化了移液机械臂机械系统和控制系统的设计。