抗扭力机器人电缆(柔性线缆的ANCF动力学模型与仿真)

Posted 2023-05-27

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抗扭力机器人电缆(柔性线缆的ANCF动力学模型与仿真)

柔性线缆ANCF动力学模型

从Adams2014版本开始，引入ANCF （Absolute Nodal Coordinate Formulation）算法，基于该种方式，可在Adams中快速实现柔性索和柔性梁等类型模型的创建，并且在计算时具备更快地速度，提升效率。基于这种方法创建的模型在Adams中叫做FEpart，即有限元构件模型，可同其他刚体模型进行碰撞或其他约束关系等的定义，还可在其上施加分布载荷，可将其看作为Adams刚柔耦合功能的补充，可处理大变形、自接触等现象。Adams中刚柔耦合功能架构，如图 1所示：

图 1 ADAMS柔性体解决方案树

在多体动力学中考虑构件大变形时往往采用传统的离散方法，将本来完整的模型离散成一个个小刚体，刚体之间通过力元连接，该种方法可以一定程度上模拟几何非线性现象，但基于FE Part可以更进一步，在精度与计算速度方面都有更好地表现。同时，FE Part相对于MNF方法也有很多不同之处，首先其可以更加精确地模拟大变形问题，而线性模态方法则不可，另外，建摸时不需要有限元软件，直接在Adams环境下即可完成。

动力学仿真

收展开合仿真

如图 2所示，基于ADAMS 2017多体动力学集成仿真环境，设置平面运动线缆仿真参数为：重力方向为-y；线缆直径D=10 mm；线缆密度ρ=1000 Kg/m3；弹性模量E=1e11 N/m2；xy向剪切模量Gxy=1e7 N/m2；yz向剪切模量Gyz=1e7 N/m2。设置线缆的一端为旋转副约束，旋转轴为z轴，另一端为移动副约束，移动方向为±x向，线缆的扫掠曲线由Bspline算法创建，曲线由5个MARKER控制点连接生成，位置分别为：MARKER_1：0.0, 0.0, 0.0；MARKER_2：150.0, -150.0, 0.0；MARKER_3：350.0, -250.0, 0.0；MARKER_4：550.0, -150.0, 0.0；MARKER_5：750.0, 0.0, 0.0。通过控制点构建Bspline曲线是创建线缆仿真模型的主要方式，可对控制点的位置进行设计探索，实现线缆空间布局优化设计。设置仿真时间为5 s，移动副的驱动函数为：

图 2 基于ADAMS的线缆ANCF动力学仿真模型

根据设置的运动函数，线缆在1s时间内完成了一个周期内的运动，如图 3所示。

图 3 线缆在一个周期内的运动状态

视频播放地址：

柔性线缆的ANCF动力学仿真 - 知乎

https://zhuanlan.zhihu.com/p/510843588

得到旋转副上的力和力矩变化如图 4和图 5所示。可知旋转副上的力呈明显的正弦变化趋势，力的最小值为0N，最大值为250N，变化周期为1s，与驱动函数一致；旋转副的力矩变化不规律，但在统计意义上也呈现了近似的正弦变化，且力矩的数量及非常小，为10e-11级别，可基本忽略，这与线缆旋转副的约束条件有关。

图 4 旋转副力变化曲线

图 5 旋转副力矩变化曲线

得到移动副的力和力矩变化如图 6和图 7所示。可知移动副上的力呈明显的正弦变化趋势，力的最小值为0N，最大值为120N，变化周期为1s，与驱动函数一致；移动副的力矩变化呈明显的正弦变化趋势，力矩最小值为0N∙mm，最大值为54103 N∙mm。

图 6 移动副力变化曲线

图 7 移动副力矩变化曲线

小球碰撞仿真

如图 8所示，基于ADAMS 2017多体动力学集成仿真环境，设置平面运动线缆仿真参数为：重力方向为-z；线缆直径D=10 mm；线缆密度ρ=1370 Kg/m3；弹性模量E=8.4276e9 N/m2；xy向剪切模量Gxy=2.1721e9 N/m2；yz向剪切模量Gyz=1.6117e9 N/m2。设置线缆两端为与大地固定约束，建立直径为200mm的刚性碰撞球体，球体以50 mm/s的速度向+x方向移动，定义球体与线缆为接触碰撞关系。设置仿真时间为5 s。

图 8 碰撞试验仿真环境设置

根据设置的运动函数，得到球体与线缆碰撞前后的状态，如图 9所示。

图 9 a线缆碰撞前后状态

图 9 b线缆碰撞前后状态

得到接触力和接触力矩如图 10和图 11所示，可知在球体与线缆未接触前，接触力和接触力矩均为0，在接触过程中，接触力呈指数型曲线增长，最大接触力达3000N，接触力矩呈现不规则的变化趋势，且数值较小（≤15N∙mm）。

图 10 接触力变化曲线

图 11接触力矩变化曲线

得到线缆固定副上约束力及力矩如图 12和图 13所示，可知在球体与线缆未接触前，力和力矩至几乎为0，在接触过程中，约束力呈指数型曲线增长，最大约束力达9000N，约束力矩呈也成指数型增长，最大约束力矩达3500N∙mm。在时间为4.75 s及以后，此时约束力≥5750 N和约束力矩≥2250 N∙mm，曲线变化呈现出明显的振颤现象，说明线缆可能已完全屈服。

图 12 线缆固定副上约束力变化曲线

图 13 线缆固定副上约束力矩变化曲线

由仿真结果可知ANCF方法很好地模拟了线缆受拉、压情况的运动状态，与线缆在只受拉、压时的实际状态变化基本吻合。

优点：

（1）计算速度快，高效模拟线缆拉、压大变形；

（2）拥有ADAMS2014及以上版本的集成仿真环境；

（3）通过GUI工具箱设计柔性线缆，方便快捷；

（4）可模拟线缆接触碰撞；

（5）分布力包含了重力。

缺点：

（1）仿真精度不高，忽略了线缆的剪切、扭转变形因素；

（2）适用性差，只能仿真无分支线缆；

（3）对过于柔软的线缆仿真精度不高。