adams虛擬樣機(jī)技術(shù)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機(jī)之前,設(shè)計師利用計算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。</p><p>　　ADAMS軟件是目前國際上應(yīng)用最為廣泛的虛擬樣機(jī)分析軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)

2、進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。但針對復(fù)雜的機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，要想準(zhǔn)確的控制其運(yùn)動，僅依靠ADAMS軟件自身也很難做到；MATLAB軟是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，具有強(qiáng)大的計算能力，能夠建立復(fù)雜的控制模型準(zhǔn)確控制復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動；OpenGL（開放式圖形庫全稱）是SGI公司開發(fā)的底層三維圖形API，目前在圖形開發(fā)領(lǐng)域已成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使用OpenGL可以創(chuàng)建視覺質(zhì)量接近射線跟蹤

3、程序的精致漂亮的3D圖形。Visual C++ 6.0已經(jīng)成為集編輯、編譯。運(yùn)行、調(diào)試為一體的功能強(qiáng)大的集成編程環(huán)境，在Windows編程中占有重要地位。OpenGL和Visual C++ 6.0有緊密接口，利用二者可以開發(fā)出優(yōu)秀的視鏡仿真系統(tǒng)。ADAMS、MATLAB和Visual C++ 6.0由于定位不同，都有各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，但是三者之間又可以通過接口聯(lián)合控制或者混合編程。本文分別利用ADAMS對三自由度機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和軌跡優(yōu)化

4、方案進(jìn)行研究，利用V</p><p>　　論文首先通過建立坐標(biāo)系和矩陣變換，對剛體的空間表示進(jìn)行了闡述，然后采用通用的D-H法則，將機(jī)器人關(guān)節(jié)角度參數(shù)化，推導(dǎo)出其正運(yùn)動學(xué)方程和逆運(yùn)動關(guān)節(jié)角，并計算出機(jī)器人手部的初始坐標(biāo)。其次采用ADAMS軟件，詳細(xì)介紹了機(jī)器人三維建模過程，包括整體框架構(gòu)建，單個構(gòu)件繪圖和布爾運(yùn)算等，并對機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計。最后從機(jī)器人軌跡規(guī)劃的基本原理和方法出發(fā)，比較分析了關(guān)節(jié)空間軌跡

5、規(guī)劃和直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃的差別，并采用三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式對機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，利用ADAMS軟件中內(nèi)嵌的Step函數(shù)對運(yùn)動軌跡進(jìn)行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系統(tǒng)環(huán)境下，以Visuall C++6.0為開發(fā)工具，建立了三自由度機(jī)械手視景仿真系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)對MATLAB控制模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)的讀取和利用。</p><p>　　關(guān)鍵詞:運(yùn)動學(xué) 軌跡規(guī)劃 ADAMS

6、虛擬樣機(jī)技術(shù) 視景仿真 紋理映射 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Before manufacturing the first physical prototype, the designers used computer technology to build a mechanical system of digita

7、l model for analysis simulation, which showed that the system works in real conditions of the various characteristics, so as to be revised and Optimal design. This process is called Virtual prototyping technology. </p

8、><p>　　Now ADAMS software is widely used in virtual prototyping analysis in the world, it is very convenient for the user to use this software ot do the statics, kinematics and dynamics analysis for the virtual

9、 machine system.But to the complicated robot mechanical system,it is also very hard to do the accurate control of its movement only rely on ADAMS software itself ;MATLAB is one of the outstanding mathematics application

10、software integrating calculation, graphical visualization and editing functio</p><p>　　First of all, through the establishment of coordinates and matrix transformation, the rigid body of the space that was e

11、laborated, and then use the D-H rule, Robot parameters of the joint were gained, equations of motion were given, and the joints angle were known , initial coordinates of Robot hand can be calculated. Followed by ADAMS so

12、ftware, we processed details of the robot three-dimensional modeling, including the overall framework for building, mapped a single component and Boolean operat</p><p>　　Key words: kinematics trajectory pla

13、nning ADAMS virtual prototyping technology Visual simulation Texture mapping </p><p><b>　　第一章緒論</b></p><p>　　1.1工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1961年，美國的Consolided Control Corp和

14、AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實(shí)用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人，迄今為止，世界上對工業(yè)機(jī)器人的研究已經(jīng)經(jīng)歷了四十余年的歷程，日本、美國、法國、德國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)已日趨成熟和完善。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分

15、重要的作用。</p><p>　　采用工業(yè)機(jī)器人，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，改善勞動環(huán)境，減輕勞動強(qiáng)度，提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。和計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。在制造業(yè)中，尤其是在汽車產(chǎn)業(yè)中，工業(yè)機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配

16、、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)。如，2004年德國汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為1140臺。</p><p>　　在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。從而，相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，它們包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德國的KUKA Roboter，美國的Adept Tech

17、nology、American Robot、意大利COMAU，英國的AutoTech Robotics公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　在我國，工業(yè)機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)接近20多年了，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。2004年全年國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量（主要指在國內(nèi)生產(chǎn)和組裝的）突破1400臺，產(chǎn)值突破8億元人民幣。進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量

18、超過9000臺，進(jìn)口額達(dá)到2.6億美元。國內(nèi)各個工業(yè)機(jī)器人廠家都呈現(xiàn)出產(chǎn)銷兩旺的局面。截至2004年底，我國工業(yè)機(jī)器人市場已經(jīng)突破30億元人民幣?，F(xiàn)階段，我國工業(yè)機(jī)器人正逐步發(fā)展成為一種有影響力的產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　1.2虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介</p><p>　　1.2.1虛擬樣機(jī)的定義和特點(diǎn)</p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建造第一臺物理樣機(jī)之前,設(shè)計師

19、利用計算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型,進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。該技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),將分散的零部件設(shè)計和分析技術(shù)集成在一起,提供一個全新研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法。它是一種計算機(jī)模型,它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性,包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于這項(xiàng)技術(shù),設(shè)計師可以在計算機(jī)上

20、建立機(jī)械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動和動力特性,并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上,把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合,為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。它具有以下特點(diǎn)：</p><p><b>　　A 全新的研發(fā)模式</b

21、></p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性的產(chǎn)品優(yōu)化,使產(chǎn)品在概念設(shè)計階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過可視化技術(shù)設(shè)計產(chǎn)品、預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)工況下的特征,從而獲得最優(yōu)工作性能。</p><p>　　B 研發(fā)成本低、周期短、產(chǎn)品質(zhì)量高</p><p>　　通過計算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以完成無數(shù)次物理樣機(jī)無法進(jìn)行的

22、虛擬試驗(yàn),不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量,降低了成本,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。</p><p><b>　　C 實(shí)現(xiàn)了動態(tài)聯(lián)盟</b></p><p>　　廣泛地采用動態(tài)聯(lián)盟, 通過Internet共享和交流，臨時締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)，適應(yīng)了快速變化的全球市場,克服單個企業(yè)資源的局限性。</p><p>　　1.2.2研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢&

23、lt;/p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、到醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。</p><p>　　美國航空航天局(NASA)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制的火星探測器“探路號”，就是JPL工程師利用虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真研究研發(fā)的。美國波音飛機(jī)公司的波音777飛機(jī)是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機(jī),其設(shè)計、

24、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機(jī)技術(shù),不但縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本,而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功。</p><p>　　我國從“九五”期間開始跟蹤和研究虛擬樣機(jī)的相關(guān)技術(shù),主要研究集中在虛擬樣機(jī)的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的支撐技術(shù),應(yīng)用多集中在一些高精尖領(lǐng)域。近年來,才嘗試著將虛擬樣機(jī)技術(shù)用于一般機(jī)械的開發(fā)研制。天津大學(xué)與河北工業(yè)大學(xué)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了沖擊式壓實(shí)機(jī),對其進(jìn)行了仿真計算,得到各部

25、件的運(yùn)動規(guī)律曲線,驗(yàn)證了壓實(shí)機(jī)各部件參數(shù)值的合理性。</p><p>　　虛擬樣機(jī)概念正向廣度和深度發(fā)展,今后的虛擬樣機(jī)技術(shù)將更加強(qiáng)調(diào)部件、技術(shù)、知識的重用,強(qiáng)調(diào)便于虛擬樣機(jī)柔性協(xié)同的運(yùn)行管理的組織重構(gòu),強(qiáng)調(diào)跨領(lǐng)域技術(shù)的溝通支持，重點(diǎn)在以下幾個方面進(jìn)行研究：</p><p>　?。?）基于虛擬樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計；</p><p>　　（2）以虛擬樣機(jī)為中心的并行設(shè)計設(shè)計

26、；</p><p>　?。?）分析和仿真工具的集成；</p><p>　　（4）虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的容錯性研究。</p><p>　　1.3視景仿真技術(shù)簡介</p><p>　　1.3.1視景仿真的定義和特點(diǎn)</p><p>　　視景仿真又稱虛擬仿真虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。它是21世紀(jì)最有前景的高科技技術(shù)之一，它是計算機(jī)技術(shù)，圖形圖象

27、技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合，是延伸人類感覺器官的一門科學(xué)，通過對現(xiàn)實(shí)世界或者是人類想象的虛擬世界進(jìn)行三維建模并實(shí)時驅(qū)動，通過頭盔顯示器或者三維投影技術(shù)顯示出來。</p><p>　　視景仿真(Visual Simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說，就是采用以計算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬

28、環(huán)境中的對象進(jìn)行交互作 用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。其作為計算機(jī)技術(shù)中最為前沿的應(yīng)用領(lǐng)域之一，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、模擬駕駛、場景再現(xiàn)、城市規(guī)劃及其它應(yīng)用領(lǐng)域。計算機(jī)仿真又稱全數(shù)字仿真，是根據(jù)相似原理，利用計算機(jī)來逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對象，將研究對象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建模編程，并且在計算機(jī)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)．作為計算機(jī)仿真的組成部分，視景仿真采用計算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的．構(gòu)造仿真對象的三維模型并再現(xiàn)真

29、實(shí)的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果．目前，視景仿真技術(shù)在我國已廣泛應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域：軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓(xùn)練以及交互式娛樂仿真等．視景仿真技術(shù)對作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實(shí)時顯示，給人以強(qiáng)烈的視覺上的沖擊，對提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用</p><p>　　1.3.2工業(yè)機(jī)器人視景仿真系統(tǒng)研究的意義</p><p>　　由于機(jī)器人價格昂

30、貴,以及機(jī)器人的作業(yè)空間需要較大而獨(dú)立的試驗(yàn)場地等諸多原因,不可能達(dá)到每個需要學(xué)習(xí)機(jī)器人的人都能親自操作機(jī)器人的要求。而可視化技術(shù)的出現(xiàn),使得人們能夠在三維圖形世界中觀察機(jī)器人,并通過計算機(jī)交互式對機(jī)器人進(jìn)行示教仿真。基于VC++6.0的OpenGL上的工業(yè)機(jī)器人的視景仿真系統(tǒng)可以提供一個真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺，在不接觸實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境的情況下，通過圖形技術(shù)，提供一個和機(jī)器人進(jìn)行交互的虛擬環(huán)境。此系統(tǒng)充分利用OpenGL的實(shí)時交互性，模擬

31、工業(yè)機(jī)器人的示教/再現(xiàn)過程，可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)機(jī)器人的程序并動態(tài)模擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動過程，觀察工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動結(jié)果，檢驗(yàn)所編寫工業(yè)機(jī)器人程序的正確性。進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，可以先在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真，觀察實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動過程以及運(yùn)動結(jié)果，避免直接在現(xiàn)實(shí)中操作對工業(yè)機(jī)器人及周圍物體可能造成的傷害。另外，對于剛接觸工業(yè)機(jī)器人的操作員來說，此系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實(shí)工業(yè)機(jī)器人幾乎相同的操作步驟，在操作員真正操作工業(yè)機(jī)器人之前，可以增加其操作的熟練程度

32、，增加安全系數(shù)。</p><p>　　1.4本文要研究的主要內(nèi)容</p><p>　　為了簡化研究，本文采用一個3自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，分別通過ADAMS軟件的建模和仿真，結(jié)合MATLAB的運(yùn)算功能，進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析和空間坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡的最優(yōu)化。又在Windows XP環(huán)境下，利用Visual C++6.0和OpenGL完成了基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，具體工作如下

33、：</p><p>　?。?）進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過矩陣變換，得到了機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的關(guān)節(jié)角度。</p><p>　　（2）在ADAMS/View中構(gòu)造機(jī)器人部件，運(yùn)用約束庫中的移動和旋轉(zhuǎn)副對部件進(jìn)行鏈接，添加驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動，完成三維建模。</p><p>　?。?）對機(jī)器人的運(yùn)行軌跡進(jìn)行多項(xiàng)式優(yōu)化，

34、利用ADAMS/View的仿真和后處理模塊，繪制小臂末端處所取點(diǎn)的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲線，結(jié)合曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃的仿真分析，并進(jìn)行比較分析。</p><p>　?。?）利用Visual C++6.0和OpenGL導(dǎo)入并建立機(jī)械手模型，建立仿真場景，實(shí)現(xiàn)基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動仿真，并實(shí)現(xiàn)視角的交互式鍵盤控制。</p><p>　　第三章基于ADAMS的機(jī)器人

35、的虛擬樣機(jī)分析</p><p>　　3.1 ADAMS概述</p><p>　　美國MSC.Software公司在2003年3月收購了全球最大機(jī)構(gòu)的仿真軟件、咨詢服務(wù)、系統(tǒng)集成供應(yīng)商MDI/ADAMS。MSC.Software公司的ADAMS軟件是虛擬樣機(jī)領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的軟件,可以使工程師、設(shè)計人員能夠在物理樣機(jī)構(gòu)造前,建立機(jī)械系統(tǒng)的“模擬樣機(jī)”,預(yù)估出機(jī)器的工作性能。ADAMS軟件具有如

36、下特點(diǎn):</p><p>　　（1）分析類型包括運(yùn)動學(xué)、靜力學(xué)分析以及線性和非線性動力學(xué)分析</p><p>　?。?）具有二維和三維建模能力</p><p>　?。?）具有50余種聯(lián)結(jié)副、力和發(fā)生器組成的庫和強(qiáng)大的函數(shù)庫</p><p>　?。?）具有組裝、分析和動態(tài)顯示模型的功能，包含剛體和柔體分析</p><p>

37、;　　（5）具有與CAD、UG、Pro/E、Matlab、ANSYS等軟件的專用接口</p><p>　　（6）具有開放式結(jié)構(gòu),允許用戶集成自己的子程序</p><p>　　基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)是在制造物理樣機(jī)前,利用計算機(jī)技術(shù)建立該產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型,通過基于實(shí)體的可視化仿真分析,模擬該系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境中的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性,并反復(fù)修改設(shè)計,從而得到最優(yōu)方案。</p>

38、<p><b>　　A 創(chuàng)建模型</b></p><p>　　創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)模型時,首先要創(chuàng)建構(gòu)成模型的各個零部件。零部件創(chuàng)建完后,需要使用運(yùn)動關(guān)節(jié)約束庫創(chuàng)建零部件之間的約束副,確定部件之間的連接情況以及仿真過程中構(gòu)件之間的位置關(guān)系。最后,施加運(yùn)動及各種載荷使樣機(jī)按照設(shè)計要求進(jìn)行仿真。</p><p>　　B 測試驗(yàn)證模型并細(xì)化</p><

39、;p>　　模型創(chuàng)建過程中和完成后,都可以對模型進(jìn)行運(yùn)動仿真測試。通過對模型的性能測試,驗(yàn)證設(shè)計方案的正確性，然后,在模型中增加更復(fù)雜的因素,進(jìn)一步細(xì)化模型。為便于不同方案的比較,通過設(shè)計變量不同取值的迭代仿真,求出設(shè)計變量的最優(yōu)值。</p><p><b>　　C 優(yōu)化設(shè)計</b></p><p>　　采用設(shè)計和優(yōu)化分析的研究手段，確定各個設(shè)計變量相對于解算結(jié)果

40、的靈敏度并最終確定目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。</p><p>　　3.2 ADAMS中機(jī)器人模型的建立</p><p>　　本文機(jī)械手模型參考了PUMA機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，建模過程中依照模塊化的思想先繪制各個部件，然后通過布爾運(yùn)算和參數(shù)的調(diào)整，完成建模。</p><p>　　3.2.1設(shè)置建模環(huán)境</p><p>　　打開ADAMS/View,選擇創(chuàng)建新模

41、型，將機(jī)械手模型命名為model_2jixieshou,其他采用系統(tǒng)默認(rèn)值，進(jìn)入建模界面。</p><p>　　在建模界面中，首先要設(shè)定工作柵格，點(diǎn)擊菜單Settings中的Working Gird.如圖3-1所示，根據(jù)建模需要，柵格范圍設(shè)置為1000×1000（mm）,大小為50×50（mm）。</p><p>　　圖3-1 工作柵格設(shè)置</p><

42、;p>　　設(shè)置完工作柵格就可以開始建模。</p><p>　　3.2.2機(jī)器人實(shí)體建模</p><p>　　ADAMS/View中集成了很多圖形模板，包括點(diǎn)，線，面，體各方面。我們構(gòu)建的是機(jī)器人的三維立體模型，其主要部件都是剛體。ADAMS中的剛體模板包括圓柱，圓錐，長方體，球體，拉伸體，平板等。我們選擇圓柱體（圓盤）作為機(jī)器人的底座，圓柱體作為機(jī)器人的腰部，拉伸體作為機(jī)器人的手臂。

43、在建模過程中，作者一直根據(jù)模塊化的原則，在建立每一個部件的過程中都同時通過布爾運(yùn)算等對模塊進(jìn)行優(yōu)化，很好的美化了模型，并且是模型更加合理。這種工作方法為最后的總裝提供和很大的便利和好處，節(jié)省了很多時間，提高了工作效率，值得在其他工作中借鑒。由于建模過程主要是ADAMS軟件的操作過程，如果對ADAMS比較熟悉這個過程就很簡單。本文不再對建模過程做詳細(xì)介紹。</p><p>　　3.2.3機(jī)器人模型的設(shè)置</p

44、><p>　　機(jī)器人實(shí)體模型建好以后，應(yīng)對其屬性進(jìn)行修改。我們設(shè)計用的機(jī)器人材料為鋁材，初始位移為各個點(diǎn)的初始位置，初始速度設(shè)置為零。選定材料后，物體的密度就自動確定了，同時系統(tǒng)會自動計算構(gòu)件的質(zhì)量。然后對關(guān)節(jié)添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動力。如果我們要模擬某些特殊的工作過程，我們還應(yīng)該在相應(yīng)的位置處添加力和力矩。如我們模擬提升物體的操作過程，那么我們就在小臂（PART6）的端部PART6_MARKER_6處添加一個大小為10

45、N方向向下的力。完成這個設(shè)置后機(jī)器人的模型如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 機(jī)器人最終模型</p><p>　　至此，我們已經(jīng)完成了三自由度機(jī)器人的建模過程，通過軟件自檢功能，可以判定模型正確與否，建模完成以后就可以進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析。</p><p>　　3.3軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　　完成建模過程后，我們就可以

46、運(yùn)用軟件的仿真功能對模型的運(yùn)動學(xué)，靜力學(xué)，動力學(xué)進(jìn)行分析，本文對所建立的模型進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)的理論分析，然后又結(jié)合軌跡規(guī)劃進(jìn)行了仿真分析。軌跡規(guī)劃一般分為兩種：一種是在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行規(guī)劃，將關(guān)節(jié)變量表示成時間的函數(shù)，并規(guī)劃它的一階和二階時間導(dǎo)數(shù)；另一種是在直角空間(笛卡爾空間)進(jìn)行規(guī)劃，將末端位姿、速度、加速度表示為時間的函數(shù)，而相應(yīng)的關(guān)節(jié)位移、速度和加速度由末端信息導(dǎo)出。</p><p>　　本文分別給出了對模型進(jìn)行

47、關(guān)節(jié)空間和直角空間軌跡規(guī)劃方法的理論分析，并在ADAMS/View的仿真和后處理模塊中利用ADAMS內(nèi)嵌的step函數(shù)對關(guān)節(jié)空間內(nèi)三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃進(jìn)行了分析比較。</p><p>　　3.3.1軌跡規(guī)劃方法的理論分析</p><p>　?。?）關(guān)節(jié)空間內(nèi)三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃</p><p>　　假設(shè)機(jī)器人的初始位姿是已知的，通過逆運(yùn)動學(xué)方程可以求得期望位

48、姿對應(yīng)的關(guān)節(jié)角。若考慮其中某一關(guān)節(jié)在運(yùn)動開始時刻的角度，希望該關(guān)節(jié)在時刻運(yùn)動到新的角度，使用多項(xiàng)式函數(shù)可以保證初始和末端的邊界條件與已知條件相匹配，這些條件信息可以求解下面的三次多項(xiàng)式方程。</p><p>　　針對本文設(shè)計的三自由度機(jī)器人，在其初始位置基礎(chǔ)下，我們要求機(jī)器人手臂在6S后分別運(yùn)動=180°，=60°，=30°。</p><p>　?。?）關(guān)節(jié)空

49、間內(nèi)五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃</p><p>　　在三次多項(xiàng)式規(guī)劃中，我們采用的邊界條件是起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置與速度，如果同時指定起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度，這樣邊界條件就增加到6個，可以用同樣的方法進(jìn)行五次多項(xiàng)式的規(guī)劃：</p><p>　　（3）關(guān)節(jié)空間內(nèi)拋物線過渡的線性運(yùn)動軌跡規(guī)劃</p><p>　　在關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃的另一種方法就是讓關(guān)節(jié)以恒定的速度在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間運(yùn)動，軌

50、跡方程相當(dāng)于一次多項(xiàng)式，速度為常數(shù)，加速度為零。這樣意味著在起點(diǎn)和終點(diǎn)的加速度必須為無窮大，為避免這一情況，線性運(yùn)動在起點(diǎn)和終點(diǎn)可以用拋物線來過渡。如圖4-6，拋物線與直線過渡段在時間和處是對稱的，由此得到：</p><p>　　此時拋物線運(yùn)動段的加速度為一常數(shù)，在A點(diǎn)和B點(diǎn)速度連續(xù)，將邊界條件代入得：</p><p>　　從而得出拋物線的方程為：</p><p>

51、　　從而可求出過渡時間：</p><p>　?。?）直角空間軌跡規(guī)劃</p><p>　　直角坐標(biāo)空間軌跡與機(jī)器人相對于直角坐標(biāo)系的運(yùn)動有關(guān)，機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿就是沿循直角坐標(biāo)空間的軌跡。實(shí)際上所有的關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃的方法都可用于直角坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃。其差別在于：對于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，規(guī)劃函數(shù)生成的值就是關(guān)節(jié)值，而直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃函數(shù)生成的值是機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿，必須通過反

52、復(fù)求解逆運(yùn)動學(xué)方程來計算關(guān)節(jié)角。</p><p>　　其過程可以綜合如下：</p><p>　　將時間增加一個增量；</p><p>　　利用所選擇的軌跡函數(shù)計算末端執(zhí)行器的位姿；</p><p>　　利用機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)方程計算位姿對應(yīng)的關(guān)節(jié)量；</p><p>　　將關(guān)節(jié)信息傳遞給控制器；</p>&l

53、t;p><b>　　重復(fù)以上循環(huán)過程。</b></p><p>　　3.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　?。?）三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　　我們在ADAMS里進(jìn)行三次多項(xiàng)式軌跡仿真時，用的是STEP函數(shù)[10]。STEP函數(shù)利用的是三次多項(xiàng)式逼近海賽階躍函數(shù)。STEP階躍函數(shù)有連續(xù)的一階導(dǎo)，但在起點(diǎn)處的二階

54、導(dǎo)不連續(xù)，在速度圖像上表現(xiàn)為速度連續(xù)但加速度不連續(xù)。</p><p>　　我們設(shè)定機(jī)器人三個部分在6S時間內(nèi)分別轉(zhuǎn)動180°，60°，30°，為了分析其運(yùn)動特性，我們分別選取機(jī)器人小臂PART6末端的PART6_MARKER_6點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行分析。</p><p>　　從上圖中我們看到，在三次多項(xiàng)式規(guī)劃條件下，X,Y,Z三個方向上的點(diǎn)都呈現(xiàn)出起伏變化，與勻速

55、驅(qū)動條件下情況不同。PART6_MARKER_6點(diǎn)從（248.2051，70.0962，-40.0）運(yùn)動到（-303.1089，475.0，40.0）處。</p><p>　　PART6_MARKER_6速度和加速度曲線如圖4-8所示，我們可以看到，速度由0mm/s增大到297.6708mm/s,然后又逐漸下降到0mm/s,而加速度最大值達(dá)到了253.6641mm/,并且在0.012s和5.988/s處存在突變。

56、</p><p>　　PART6_MARKER_6角速度和角加速度曲線如圖4-9所示，PART6_MARKER_6角速度和角加速度變化與速度變化類似，最大角速度為50.3512d/s,角加速度最大為33.4069d/,在0.012s和5.988/s處存在突變。</p><p>　?。?）五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　　我們運(yùn)用ADAMS內(nèi)嵌的step

57、5函數(shù)對機(jī)器人關(guān)節(jié)進(jìn)行五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃，step5函數(shù)是通過五次多項(xiàng)式逼近海塞階躍函數(shù)。同樣選取我們分別選取機(jī)器人小臂PART6末端PART6_MARKER_6點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行分析。</p><p>　　從上圖中我們可以看出，三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃相比，機(jī)器人手臂末端的始末位置不變，都是從（248.2051，70.0962，-40.0）運(yùn)動到（-303.1089，475.0，40.0），中間點(diǎn)的位移也沒

58、太大變化。但是其速度和加速度等運(yùn)動參數(shù)變化卻比較大。五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃條件下PART6_MARKER_6的速度和加速度曲線如圖4-17所示：</p><p>　　從上面的圖像中我們可以看到，PART6_MARKER_6的速度先增后減，加速度變化也一樣。速度從開始時刻的0mm/s增大到中間時刻的370.1791mm/s再減小到終點(diǎn)時刻的0mm/s,加速度變化較三次多項(xiàng)式規(guī)劃時平緩，不存在突變點(diǎn)。在0s時最小，為0m

59、m/,中間時刻達(dá)到最大值396.2381mm/,然后逐漸下降到終點(diǎn)時的0mm/。角速度和角加速度的變化情況如下：最大角速度為62.8912d/s，最大角加速度為32.826d/，角加速度不存在明顯突變。</p><p>　?。?）軌跡規(guī)劃比較分析</p><p>　　從上面的兩種軌跡仿真結(jié)果中可以看出，三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃最大的區(qū)別就在前者的加速度和角加速度在中間點(diǎn)存在跳

60、變，而后者的加速度和角加速度的變化則趨于平緩。我們對兩種情況下PART6_MARKER_6點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)變化情況進(jìn)行比較，如下表所示：</p><p>　　表4-3 PART3_MARKER_12點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)比較</p><p>　　之所以有這種區(qū)別，原因在于三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃中，我們的邊界條件只有四個，初始位移和速度，終點(diǎn)的位移和速度；而在五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃中，我們的初始條件中包含了加速度

61、，分別為初始位移、速度和加速度，終點(diǎn)位移、速度和加速度。因此在一般的三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃中，我們應(yīng)該加入最大速度變化的限制條件，從而保證機(jī)器人的運(yùn)動更平穩(wěn)。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文以簡單的三自由度機(jī)器人為研究對象，通過ADAMS虛擬樣機(jī)建模，建立起運(yùn)動學(xué)方程，進(jìn)行工作路徑的軌跡規(guī)劃，對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和分析。主要進(jìn)行了以下

62、幾個方面的工作：</p><p>　　(1)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過矩陣變換，得到了機(jī)器人的正運(yùn)動學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)的關(guān)節(jié)角度。</p><p>　　(2)運(yùn)用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對機(jī)器人進(jìn)行建模。通過模塊化設(shè)計和布爾運(yùn)算，對機(jī)器人模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。</p><p>　　(3)進(jìn)行了軌跡規(guī)劃和仿真。通過ADAMS中內(nèi)嵌的S

63、tep和Step5函數(shù)，分別進(jìn)行了三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式的軌跡規(guī)劃，在ADAMS的后處理程序中對規(guī)劃后的曲線進(jìn)行了仿真分析。</p><p>　　(4)利用Visual C++6.0和OpenGL導(dǎo)入并建立了機(jī)械手模型，建立了仿真場景，實(shí)現(xiàn)了基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動仿真，并實(shí)現(xiàn)了視角的交互式鍵盤控制。</p><p>　　通過上述工作，我們得到以下結(jié)論：</p><p>

64、　　(1)通過D-H法則建立的機(jī)器人正逆運(yùn)動學(xué)方程是正確的，能夠計算出機(jī)器人在任意角度時的坐標(biāo)和任意位置的關(guān)節(jié)角度。</p><p>　　(2)ADAMS虛擬樣機(jī)軟件可以進(jìn)行機(jī)器人三維建模，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，運(yùn)動學(xué)分析是針對相關(guān)設(shè)計點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行的。ADAMS軟件強(qiáng)大的函數(shù)功能可以實(shí)現(xiàn)所需要的參數(shù)關(guān)聯(lián)，后處理程序中的仿真功能可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。</p><p>　　(

65、3)軌跡規(guī)劃中我們可以看出三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃只能規(guī)劃位移和速度，而五次多項(xiàng)式規(guī)劃可以規(guī)劃位移，速度和加速度，規(guī)劃效果優(yōu)于前者。這是因?yàn)槲宕味囗?xiàng)式軌跡規(guī)劃的邊界條件中包含了加速度信息，因此我們可以推斷：規(guī)劃次數(shù)越高，效果越好。</p><p>　　(4)VC++6.0和OpenGL能夠很好的實(shí)現(xiàn)可視化視景仿真系統(tǒng)的開發(fā)，功能擴(kuò)展性很強(qiáng)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)交互式仿真，實(shí)現(xiàn)對模型的實(shí)時控制。</p><

66、p><b>　　后續(xù)工作展望：</b></p><p>　　(1)通過對簡單的三自由度機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析，我們可以進(jìn)行復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)推導(dǎo)，比如六自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析。</p><p>　　(2)在運(yùn)動學(xué)分析后，可以進(jìn)行動力學(xué)分析，通過ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真，對機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動進(jìn)行控制。</p><p>　　(3)本文

67、僅對機(jī)器人進(jìn)行了三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃，我們還可以嘗試關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間和直角坐標(biāo)空間的其它軌跡規(guī)劃方法。</p><p>　　(4)由于時間關(guān)系，本文只是實(shí)現(xiàn)了視景仿真系統(tǒng)的簡單建模和基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動仿真，模型建立很粗糙，場景材質(zhì)、光照等設(shè)置不是很理想，還具有很大的改進(jìn)空間，比如還可以通過Matlab和VC++混合編程實(shí)現(xiàn)控制模型對機(jī)械手模型的實(shí)時控制等。</p><p><b

68、>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 原魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢.現(xiàn)代零部件,2007年第1期</p><p>　　[2] 張楊林.國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場及發(fā)展趨勢.大眾科技,2006年第6期</p><p>　　[3] 劉遠(yuǎn)江.中國工業(yè)機(jī)器人市場調(diào)查.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2005年第3期</p><p>

69、　　[4] 宋健.基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)研究綜述.濰坊學(xué)院學(xué)報,2006年11月,第六卷第6期</p><p>　　[5] （美）Saeed B.Niku .機(jī)器人學(xué)到導(dǎo)論.孫富春,朱紀(jì)洪,劉國棟.電子工業(yè)出版社, 2004.1 </p><p>　　[6] （美）John J.Craig.機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論.贠超.機(jī)械工業(yè)出版社,2006.6</p><p>

70、　　[7] 楊玉維.3-RRRP并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)研究與仿真. [研究生學(xué)位論文]: 天津理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計系,2005年3月</p><p>　　[8] 李增剛編著.ADAMS入門詳解與實(shí)例.國防工業(yè)出版社,2006.4 </p><p>　　[9] 范建成,熊光明,周明飛.MSC.ADAMS應(yīng)用與提高.機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.9</p><p>　　[10