柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体‑有限元混合分析方法，利用等效单元模拟有限元模型中的铰接螺栓和弹簧；在计算过程中，机械臂未接触时采用机械臂采用刚体算法，接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析。本发明专利技术的解决了机器人机械臂接触碰撞问题计算效率低和计算精度低的问题。在对机器人机械臂接触碰撞进行分析时，只需要通过改变K文件，就可以实现刚体和变形体的转换，减少了重复性的工作，减少了技术时间，提升了工作效率。

Multi rigid body finite element hybrid analysis method for flexible robot manipulator contact impact

The invention discloses a multi-rigid-body finite element hybrid analysis method for contact and collision of a flexible robot manipulator, which uses the equivalent element to simulate the articulated bolts and springs in the finite element model, adopts a rigid-body algorithm when the manipulator is not in contact, and adopts a deformable-body algorithm when contacting. Finite element mixed analysis. The invention solves the problems of low computational efficiency and low computational accuracy of the contact collision problem of the robot manipulator. In the analysis of robot manipulator contact and collision, only by changing the K file, the transformation between rigid body and deformed body can be realized, which reduces the repetitive work, reduces the technical time and improves the work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法
本专利技术属于接触碰撞分析技术，具体涉及一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法。
技术介绍
随着科技的发展，机器人机械臂已经广泛的应用于各个领域中，如：航空航天、深海探测、工业、农业等。接触碰撞也是机械臂在工程及生活应用中常见的问题。接触碰撞与人类的生活息息相关，对人类的生产生活有利有弊，如：走路时脚部和地面的摩擦冲击，空间探测器交会对接过程中的接触碰撞，汽车的刹车和碰撞等问题。在处理接触碰撞问题时，更多的还是为了消除接触碰撞的不利的影响，比如降低机械结构的磨损，提高机械的使用寿命，避免能量的额外损耗。很早以前就有相关的学者对于接触碰撞的问题进行了研究，也得到了许多相关的理论，并且广泛的应用到了机械领域。但是接触碰撞的过程，是非常一个复杂的过程，现在仍然有许多的疑难仍未解决。在进行接触碰撞分析的相关研究中，描述动态接触问题的简单方法采用刚体算法，不考虑物体的变形。采用刚体算法虽然计算时间较短，但是需要引入恢复系数，而且刚体算法的计算精度较低，不能得到接触区域的变形或则是应力波。复杂方法视物体为变形体，采用弹性算法，用有限元法或边界元法计算。采用弹性算法虽然计算的精度较高而且能够得到一些刚体算法中得不到的数据，但是计算量很大，而且往往由于计算量过大而无法得到结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，解决了现有机器人机械臂接触碰撞问题有限元分析计算效率低和计算精度低的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，方法步骤如下：步骤1、利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，具体步骤如下：步骤S1，建立柔性机器人机械臂的三维CAD模型；步骤S2，将已建立的三维CAD模型进行校核；步骤S3，将所述步骤S1中获得的三维CAD模型导入到Hypermesh前处理环境中；步骤S4，将步骤S1中获得的三维CAD模型中的铰接螺栓和弹簧删除，并将剩余的机械臂部分进行网格的划分；步骤S5，在步骤S4中删除的铰接螺栓的位置处建立转动铰接单元，同时在该处建立弹簧单元；步骤S6，定义机械臂部分和弹簧单元的单元属性和材料参数，并赋予给它们；步骤S7，添加载荷和约束，生成用非线性有限元求解器求解的K文件，转入步骤2。步骤2、在计算过程中，柔性机器人机械臂未接触时采用刚体算法进行多刚体/有限元混合分析；接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析。其中，刚性算法和变形体算法转换的具体步骤如下：步骤S8，通过计算确定开始接触时间和接触分离的时间；步骤S9，打开步骤S7所述生成的K文件，进行修改，加入用于刚体和变形体转换的语句，生成新的K文件；步骤S10，将步骤S9中生成的新的K文件导入到非线性有限元求解器进行分析和数据处理。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：利用等效单元模拟有限元模型中的铰接螺栓和弹簧，在接触区域进行局部更加细致的处理。在计算过程中，机械臂未接触时采用机械臂采用刚体算法，接触时采用变形体算法进行多刚体-有限元混合分析。在对机器人机械臂接触碰撞进行分析时，只需要通过改变K文件，就可以实现刚体和变形体的转换，减少了重复性的工作，减少了技术时间，提升了工作效率。附图说明图1是本专利技术优选实施例提供的柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法的流程图。图2是本专利技术优选实施提供的弹簧单元的节点及坐标图。图3是本专利技术优选实施例提供的柔性机器人机械臂提供的有限元模型。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。结合图1，一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，方法步骤如下：步骤1、利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，其中等效单元包括一个转动铰接单元和一个弹簧单元，转动铰接单元模拟有限元模型的铰接螺栓，弹簧单元模拟有限元模型中的弹簧，具体方法如下：步骤S1，建立柔性机器人机械臂的三维CAD模型；步骤S2，将已建立的三维CAD模型进行校核；步骤S3，将所述步骤S1中获得的三维CAD模型导入到Hypermesh前处理环境中；步骤S4，将步骤S1中获得的三维CAD模型中的铰接螺栓和弹簧删除，并将剩余的机械臂部分进行网格的划分；步骤S5，在步骤S4中删除的铰接螺栓的位置处建立转动铰接单元，同时在该处建立弹簧单元；步骤S6，定义机械臂部分和弹簧单元的单元属性和材料参数，并赋予给它们；步骤S7，添加载荷和约束，生成用非线性有限元求解器求解的K文件，转入步骤2。步骤2、在计算过程中，柔性机器人机械臂未接触时采用刚体算法进行多刚体/有限元混合分析；接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析，具体步骤如下：步骤S8，通过计算确定开始接触时间和接触分离的时间；步骤S9，打开步骤S7所述生成的K文件，进行修改，加入用于刚体和变形体转换的语句，生成新的K文件；所述刚体和变形体之间转换的K文件中的关键字如下：*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC。步骤S10，将步骤S9中生成的新的K文件导入到非线性有限元求解器进行分析和数据处理。所述弹簧单元为扭转弹簧单元，其参数为刚度系数k和阻尼系数c。所述刚体算法的材料属性设置为刚体，变形体算法的材料设置为变形体或弹塑体。所述刚体与变形体采用同样的材料参数，刚体与弹塑体采用同样的材料参数。实施例1如图3所示，所述柔性机器人机械臂的模块包括固定盘1、双连杆机械臂连接轴2、第一连杆3、弹簧4、铰接螺栓5、第二连杆6、滑动平板7。固定盘1固定在某一机构上，双连杆连接轴2一端与固定盘1固连，另一端与第一连杆3一端转动连接。第一连杆3另一端通过弹簧4和铰接轴5与第二连杆6的一端转动连接，第二连杆6另一端与滑动平板7接触。本实施例中，所述等效单元为一个转动铰接单元和一个弹簧单元，转动铰接单元模拟有限元模型的铰接螺栓，弹簧单元模拟有限元模型中的弹簧。如图2所示，弹簧单元的两端分别具有I节点和J节点，弹簧单元的参数还包括刚度系数k和阻尼系数c。在接触区域进行局部更加细致的处理；在计算过程中，机械臂未接触时采用机械臂采用刚体算法，接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析。机械臂未发生接触时，所指的是接触前和接触后分离的两个阶段。本专利技术所述的一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，具体步骤如下：步骤1、利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，其中等效单元包括一个转动铰接单元和一个弹簧单元，转动铰接单元模拟有限元模型的铰接螺栓，弹簧单元模拟有限元模型中的弹簧，具体方法如下：步骤S1，建立柔性机器人机械臂的三维CAD模型；步骤S2，将已建立的三维CAD模型进行校核；步骤S3，将所述步骤S1中获得的三维CAD模型导入到Hypermesh前处理环境中；步骤S4，将步骤S1中获得的三维CAD模型中的铰接螺栓和弹簧删除，并将剩余的机械臂部分进行网格的划分；步骤S5，在步骤S4中删除的铰接螺栓的位置处建立转动铰接单元，同时在该处建立弹簧单元；步骤S6，定义机械臂部分和弹簧单元的单元属性和材料参数，并赋予给它们；步骤S7，添加载荷和约本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体‑有限元混合分析方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，转入步骤2；步骤2、在计算过程中，柔性机器人机械臂未接触时采用刚体算法进行多刚体/有限元混合分析；接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析。

【技术特征摘要】
1.一种柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，其特征在于，方法步骤如下：步骤1、利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，转入步骤2；步骤2、在计算过程中，柔性机器人机械臂未接触时采用刚体算法进行多刚体/有限元混合分析；接触时采用变形体算法进行多刚体/有限元混合分析。2.根据权利要求1所述的柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，其特征在于：所述步骤1中，等效单元包括一个转动铰接单元和一个弹簧单元，转动铰接单元模拟有限元模型的铰接螺栓，弹簧单元模拟有限元模型中的弹簧。3.根据权利要求1或2所述的柔性机器人机械臂接触碰撞的多刚体-有限元混合分析方法，其特征在于，上述步骤1中，利用等效单元模拟柔性机器人机械臂的有限元模型中的螺栓和弹簧，具体步骤如下：步骤S1，建立柔性机器人机械臂的三维CAD模型；步骤S2，将已建立的三维CAD模型进行校核；步骤S3，将所述步骤S1中获得的三维CAD模型导入到Hypermesh前处理环境中；步骤S4，将步骤S1中获得的三维CAD模型中的铰接螺栓和弹簧删除，并将剩余的机械臂部分进行网格的划分；步骤S5，在步骤S4中删除的铰接螺栓的位置处建立转动铰接单元，同时在该处建立弹簧单元；步骤S6，定义机械臂部分和弹簧单元的单元属性和材料参数，并赋予给...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈煜年，王伟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32