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(tái)物理樣機(jī)之前,設(shè)計(jì)師利用計(jì)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(jì)方案的技術(shù)。</p><p>　　ADAMS軟件是目前國(guó)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(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)

2、進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。但針對(duì)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(dòng)，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(jì)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(jì)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(dòng)；OpenGL（開放式圖形庫(kù)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(shì)和缺點(diǎn)，但是三者之間又可以通過(guò)接口聯(lián)合控制或者混合編程。本文分別利用ADAMS對(duì)三自由度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(guò)建立坐標(biāo)系和矩陣變換，對(duì)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(dòng)學(xué)方程和逆運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角，并計(jì)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(guò)程，包括整體框架構(gòu)建，單個(gè)構(gòu)件繪圖和布爾運(yùn)算等，并對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dòng)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(guó)的Consolided Control Corp和

14、AMF公司聯(lián)合制造了第一臺(tái)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(duì)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(guó)、法國(guó)、德國(guó)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(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)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(dòng)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(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率改善勞動(dòng)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(duì)保障人身安全，改善勞動(dòng)環(huán)境，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)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(jì)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(cè)及倉(cāng)庫(kù)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(guó)汽車制造業(yè)中每1萬(wàn)名工人中擁有工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量為1140臺(tái)。</p><p>　　在國(guó)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(guó)的KUKA Roboter，美國(guó)的Adept Tech

17、nology、American Robot、意大利COMAU，英國(guó)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(guó)，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(guó)制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。2004年全年國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人數(shù)量（主要指在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和組裝的）突破1400臺(tái)，產(chǎn)值突破8億元人民幣。進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量

18、超過(guò)9000臺(tái)，進(jìn)口額達(dá)到2.6億美元。國(guó)內(nèi)各個(gè)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(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)已經(jīng)突破30億元人民幣?，F(xiàn)階段，我國(guó)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(jiǎn)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(tái)物理樣機(jī)之前,設(shè)計(jì)師

19、利用計(jì)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(jì)方案的技術(shù)。該技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心,加上成熟的三維計(jì)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(jì)和分析技術(shù)集成在一起,提供一個(gè)全新研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。它是一種計(jì)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性。借助于這項(xiàng)技術(shù),設(shè)計(jì)師可以在計(jì)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(dòng)和動(dòng)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(shì)以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對(duì)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(gè)全新的設(shè)計(jì)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(jì)階段就可以迅速地分析、比較多種設(shè)計(jì)方案,確定影響性能的敏感參數(shù),并通過(guò)可視化技術(shù)設(shè)計(jì)產(chǎn)品、預(yù)測(cè)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(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型,可以完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)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(dòng)態(tài)聯(lián)盟</b></p><p>　　廣泛地采用動(dòng)態(tài)聯(lián)盟, 通過(guò)Internet共享和交流，臨時(shí)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(chǎng),克服單個(gè)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(shì)&

23、lt;/p><p>　　虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、德國(guó)、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(guó)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(cè)器“探路號(hào)”，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(guó)波音飛機(jī)公司的波音777飛機(jī)是世界上首架以無(wú)圖方式研發(fā)及制造的飛機(jī),其設(shè)計(jì)、

24、裝配、性能評(píng)價(jià)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(guó)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(lái),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(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算,得到各部

25、件的運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)方面進(jìn)行研究：</p><p>　　（1）基于虛擬樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；</p><p>　?。?）以虛擬樣機(jī)為中心的并行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

26、；</p><p>　　（3）分析和仿真工具的集成；</p><p>　?。?）虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)性研究。</p><p>　　1.3視景仿真技術(shù)簡(jiǎn)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(jì)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(guò)對(duì)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(shí)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)頭盔顯示器或者三維投影技術(shù)顯示出來(lái)。</p><p>　　視景仿真(Visual Simulation)是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō)，就是采用以計(jì)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(duì)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(jì)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(chǎng)景再現(xiàn)、城市規(guī)劃及其它應(yīng)用領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)仿真又稱全數(shù)字仿真，是根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來(lái)逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對(duì)象，將研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建模編程，并且在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)．作為計(jì)算機(jī)仿真的組成部分，視景仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的．構(gòu)造仿真對(duì)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(guó)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(lè)仿真等．視景仿真技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實(shí)時(shí)顯示，給人以強(qiáng)烈的視覺上的沖擊，對(duì)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(jià)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(chǎng)地等諸多原因,不可能達(dá)到每個(gè)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(guò)計(jì)算機(jī)交互式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教仿真?；赩C++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(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不接觸實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境的情況下，通過(guò)圖形技術(shù)，提供一個(gè)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(shí)交互性，模擬

31、工業(yè)機(jī)器人的示教/再現(xiàn)過(guò)程，可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)機(jī)器人的程序并動(dòng)態(tài)模擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，觀察工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)過(guò)程以及運(yùn)動(dòng)結(jié)果，避免直接在現(xiàn)實(shí)中操作對(duì)工業(yè)機(jī)器人及周圍物體可能造成的傷害。另外，對(duì)于剛接觸工業(yè)機(jī)器人的操作員來(lái)說(shuō)，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(jiǎn)化研究，本文采用一個(gè)3自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，分別通過(guò)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(dòng)學(xué)分析和空間坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體工作如下

33、：</p><p>　?。?）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過(guò)矩陣變換，得到了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)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(kù)中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)副對(duì)部件進(jìn)行鏈接，添加驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成三維建模。</p><p>　?。?）對(duì)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>　　（4）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(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)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(guó)MSC.Software公司在2003年3月收購(gòu)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(jì)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>　?。?）分析類型包括運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)分析以及線性和非線性動(dòng)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(kù)和強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)</p><p>　　（4）具有組裝、分析和動(dòng)態(tài)顯示模型的功能，包含剛體和柔體分析</p><p>

37、;　?。?）具有與CAD、UG、Pro/E、Matlab、ANSYS等軟件的專用接口</p><p>　?。?）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(jì)算機(jī)技術(shù)建立該產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型,通過(guò)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(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性,并反復(fù)修改設(shè)計(jì),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(shí),首先要?jiǎng)?chuàng)建構(gòu)成模型的各個(gè)零部件。零部件創(chuàng)建完后,需要使用運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)約束庫(kù)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(guò)程中構(gòu)件之間的位置關(guān)系。最后,施加運(yùn)動(dòng)及各種載荷使樣機(jī)按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行仿真。</p><p>　　B 測(cè)試驗(yàn)證模型并細(xì)化</p><

39、;p>　　模型創(chuàng)建過(guò)程中和完成后,都可以對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真測(cè)試。通過(guò)對(duì)模型的性能測(cè)試,驗(yàn)證設(shè)計(jì)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(guò)設(shè)計(jì)變量不同取值的迭代仿真,求出設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)值。</p><p><b>　　C 優(yōu)化設(shè)計(jì)</b></p><p>　　采用設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析的研究手段，確定各個(gè)設(shè)計(jì)變量相對(duì)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(guò)程中依照模塊化的思想先繪制各個(gè)部件，然后通過(guò)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(zhǎng)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(guò)程中，作者一直根據(jù)模塊化的原則，在建立每一個(gè)部件的過(guò)程中都同時(shí)通過(guò)布爾運(yùn)算等對(duì)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(shí)間，提高了工作效率，值得在其他工作中借鑒。由于建模過(guò)程主要是ADAMS軟件的操作過(guò)程，如果對(duì)ADAMS比較熟悉這個(gè)過(guò)程就很簡(jiǎn)單。本文不再對(duì)建模過(guò)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(duì)其屬性進(jìn)行修改。我們?cè)O(shè)計(jì)用的機(jī)器人材料為鋁材，初始位移為各個(gè)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(dòng)確定了，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算構(gòu)件的質(zhì)量。然后對(duì)關(guān)節(jié)添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動(dòng)力。如果我們要模擬某些特殊的工作過(guò)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(guò)程，那么我們就在小臂（PART6）的端部PART6_MARKER_6處添加一個(gè)大小為10

45、N方向向下的力。完成這個(gè)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(guò)程，通過(guò)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(dòng)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(guò)程后，我們就可以

46、運(yùn)用軟件的仿真功能對(duì)模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)，靜力學(xué)，動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析，本文對(duì)所建立的模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)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(shí)間的函數(shù)，并規(guī)劃它的一階和二階時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以求得期望位

48、姿對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)角。若考慮其中某一關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)開始時(shí)刻的角度，希望該關(guān)節(jié)在時(shí)刻運(yùn)動(dòng)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(duì)本文設(shè)計(jì)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(dòng)=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(shí)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(gè)，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(guò)渡的線性運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(wú)窮大，為避免這一情況，線性運(yùn)動(dòng)在起點(diǎn)和終點(diǎn)可以用拋物線來(lái)過(guò)渡。如圖4-6，拋物線與直線過(guò)渡段在時(shí)間和處是對(duì)稱的，由此得到：</p><p>　　此時(shí)拋物線運(yùn)動(dòng)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(guò)渡時(shí)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(duì)于直角坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)反

52、復(fù)求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程來(lái)計(jì)算關(guān)節(jié)角。</p><p>　　其過(guò)程可以綜合如下：</p><p>　　將時(shí)間增加一個(gè)增量；</p><p>　　利用所選擇的軌跡函數(shù)計(jì)算末端執(zhí)行器的位姿；</p><p>　　利用機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算位姿對(duì)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(guò)程。</b></p><p>　　3.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　　（1）三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>　　我們?cè)贏DAMS里進(jìn)行三次多項(xiàng)式軌跡仿真時(shí)，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?cè)O(shè)定機(jī)器人三個(gè)部分在6S時(shí)間內(nèi)分別轉(zhuǎn)動(dòng)180°，60°，30°，為了分析其運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)方向上的點(diǎn)都呈現(xiàn)出起伏變化，與勻速

55、驅(qū)動(dòng)條件下情況不同。PART6_MARKER_6點(diǎn)從（248.2051，70.0962，-40.0）運(yùn)動(dòng)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(duì)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(guò)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)刻的0mm/s增大到中間時(shí)刻的370.1791mm/s再減小到終點(diǎn)時(shí)刻的0mm/s,加速度變化較三次多項(xiàng)式規(guī)劃時(shí)平緩，不存在突變點(diǎn)。在0s時(shí)最小，為0m

59、m/,中間時(shí)刻達(dá)到最大值396.2381mm/,然后逐漸下降到終點(diǎn)時(shí)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(duì)兩種情況下PART6_MARKER_6點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)，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(dòng)更平穩(wěn)。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文以簡(jiǎn)單的三自由度機(jī)器人為研究對(duì)象，通過(guò)ADAMS虛擬樣機(jī)建模，建立起運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，進(jìn)行工作路徑的軌跡規(guī)劃，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和分析。主要進(jìn)行了以下

62、幾個(gè)方面的工作：</p><p>　　(1)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。按照通用的D-H法則，通過(guò)矩陣變換，得到了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)節(jié)角度。</p><p>　　(2)運(yùn)用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)和布爾運(yùn)算，對(duì)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(guò)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(duì)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(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)仿真，并實(shí)現(xiàn)了視角的交互式鍵盤控制。</p><p>　　通過(guò)上述工作，我們得到以下結(jié)論：</p><p>

64、　　(1)通過(guò)D-H法則建立的機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是正確的，能夠計(jì)算出機(jī)器人在任意角度時(shí)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(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是針對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)學(xué)和動(dòng)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(duì)模型的實(shí)時(shí)控制。</p><

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

67、僅對(duì)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(shí)間關(guān)系，本文只是實(shí)現(xiàn)了視景仿真系統(tǒng)的簡(jiǎn)單建模和基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)仿真，模型建立很粗糙，場(chǎng)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(guò)Matlab和VC++混合編程實(shí)現(xiàn)控制模型對(duì)機(jī)械手模型的實(shí)時(shí)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(shì).現(xiàn)代零部件,2007年第1期</p><p>　　[2] 張楊林.國(guó)內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)及發(fā)展趨勢(shì).大眾科技,2006年第6期</p><p>　　[3] 劉遠(yuǎn)江.中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)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(bào),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(guó)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(dòng)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(jì)系,2005年3月</p><p>　　[8] 李增剛編著.ADAMS入門詳解與實(shí)例.國(guó)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