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1、江蘇科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 本科畢業(yè)設計(論文) 學 院 專 業(yè) 學生姓名 班級學號 指導教師 二零零九年六月 - I - 江蘇科技大學本科畢業(yè)論文 工業(yè)

2、機械手的運動分析與仿真 （kinematics analysis and simulation of the industrial robot） 摘 要 近二十年來，機器人技術發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領域廣泛獲得應用。我國在機器人的研究和應用方面與工業(yè)化國家相比還有一定的差距，因此研究和設計各種用途的機器人特別是工業(yè)機器人、推廣機器人的應用是有現(xiàn)實意義的。 典型的工業(yè)機器人例如焊接機器人、噴漆機器人、裝配機器人等大多是固定在生產(chǎn)線或加工設備旁邊作業(yè)的，本論文在參考大量文獻資料的基礎上，結(jié)合項目的要求，設計了一種小型的、固

3、定在AGV上以實現(xiàn)移動的六自由度串聯(lián)機器人。 首先，針對機器人的設計要求提出了多個方案，對其進行分析比較，選擇其中最優(yōu)的方案進行了結(jié)構(gòu)設計;同時進行了運動學分析，用D一H方法建立了坐標變換矩陣，推算了運動方程的正、逆解;用矢量積法推導了速度雅可比矩陣，并計算了包括腕點在內(nèi)的一些點的位移和速度;然后借助坐標變換矩陣進行工作空間分析。這些工作為移動式機器人的結(jié)構(gòu)設計、動力學分析和運動控制提供了依據(jù)。 在Pro/E中完成6自由度機械手及其手爪的三維造型和裝配，將模型導入ADAMS中，并進行運動學仿真，得到機械手各個部位的速度、加速度、角速度、角加速度在X、Y和Z方向上隨時間變化的曲線圖。 最后

4、用ADAMS軟件進行了機器人手臂的運動學仿真，并對其結(jié)果進行了分析，對在機械設計中使用虛擬樣機技術做了嘗試，積累了經(jīng)驗。 關鍵詞:機器人;建模；運動學分析;反解；仿真 ABSTRACT In the Past twenty years，the robot technology has been developed greatly and used in many different fields. There is a large gap between our country and the developed countries in research

5、 and application of the robot technology so that there will be a great value to study，design and applied different kinds of robots，especially industrial robots. Most typical industrial robots such as welding robot，painting robot and assembly robot are all fixed on the product line or near the machi

6、ning equipment when they are working. Based on larger number of relative literatures and combined with the need of project，the author have designed a kind of small一size serial robot with 6 degree of freedom which can be fixed on the AGV to construct a mobile robot. First of all，several kinds of sch

7、emes were proposed according to the design demand. The best scheme was chosen after analysis and comparing and the structure was designed. At same time，The kinematics analysis was conducted，coordinate transformation matrix using D一H method was set up，and the kinematics equation direct solution and

8、inverse solution was deduced，the matrix was constructed using vector product method，and the values displacement and velocity of some special point including the wrist point were calculated. Secondly，the working space of the robot was analyzed and the axes section of practical working space was drawn

9、. These works provided a basis to structure design, kinematics and control. In the Pro / E do the completion of six degrees of freedom manipulator’s and gripper’s three-dimensional modeling and assembly. models will be imported in ADAMS, and do the simulation and kinematics. Gain the speed, acceler

10、ation, velocity, angle acceleration of it’s various parts in the X, Y and Z direction over time the curve. At last, the robot arm′s kinematics was simulated by using software ADAMS，and the simulation result was analyzed. In the experiment，the author tried to use the virtual prototyping technology i

11、n mechanism design. Keywords: Robot; modeling; Kinematics Analysis; reverse kinematics; simulation 目 錄 中文摘要……………………………………………………………3 英文摘要……………………………………………………………4 第1章 緒論………………………………………………………8 1.1我國機器人研究現(xiàn)狀…………………………………………8 1.2工業(yè)機器人概述 …………………………………………… 8 1.3本論文研究的主要內(nèi)容……………………………………… 9 第2章 機器

12、人方案的創(chuàng)成和機械結(jié)構(gòu)的設計 ………………10 2.1機器人機械設計的特點………………………………………10 2.2與機器人有關的概念 ………………………………………11 2.3方案設計 …………………………………………………12 2.3.1方案要求 …………………………………………12 2.3.2方案功能設計與分析 ………………………………13 2.4方案結(jié)構(gòu)設計與分析 ……………………………………14 第3章 運動學分析………………………………………………15 3.1概述 ………………………………………………………15 3.2運動學分析 …………………

13、……………………………15 3.2.1空間機構(gòu)中兩任意坐標系的變換關系 ……………………15 3.2.2在各運動關節(jié)上建立坐標系 ……………………………16 3.2.3確定各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動變量 ………………………17 3.2.4寫出相鄰兩構(gòu)件坐標系間的位姿矩陣 ……………………17 3.3運用Matlab編程進行機械手的模擬運動 …………………18 3.4運動學方程的逆解 …………………………………………20 3.3 確定機械手的工作空間 …………………………………… 22 第4章 機械手的建模與仿真 …………………………………24 4.1機械手的總體設計 …

14、……………………………………… 24 4.11 三維建模軟件Pro/E的介紹 ……………………………… 24 4.12 PRO/E 建模 ……………………………………………24 4.2 運用ADAMS對模型進行仿真 ………………………………31 4.21虛擬樣機技術概述 …………………………………… 31 4.2.2 導入ADAMS仿真前的步驟 ………………………………32 4.2.3運用ADAMS對機械手進行仿真 …………………………37 4.2.4用ADAMS仿真后處理 ……………………………… 39 第5章 總結(jié) …………………

15、……………………………40 致 謝 …………………………………………………41 參考文獻 ………………………………………………………42 附錄： 1、外文資料 2、中文翻譯 另附：機械手裝配圖及機械手腕裝配圖 第1章 緒論 1.1我國機器人研究現(xiàn)狀 機器人是一種能夠進行編程，并在自動控制下執(zhí)行某種操作或移動作業(yè)任務的機械裝置。 機器人技術綜合了機械工程、電子工程、計算機技術、自動控制及人工智能等多種科學的最新研究成果，是機電一體化技術的典型代表，是當代科技發(fā)展最活躍的領域。機器人的研究、制造和應用正受到越來越多的國家的重視。近十幾年來，

16、機器人技術發(fā)展非常迅速，各種用途的機器人在各個領域廣泛獲得應用。 我國是從20世紀80年代開始涉足機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃。1987年，我國的“863”計劃將機器人方面的研究列入其中。目前，我國從事機器人的應用開發(fā)的主要是高校和有關科研院所。最初我國在機器人技術方面的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，隨后，我國在機器人技術及其應用方面取得了很大成就。主要研究成果有:哈爾濱工業(yè)大學研制的兩足步行機器人，北京自動化研究所1993年研制的噴涂機器人，1995年完成的高壓水切割機器人，國家開放實驗和研究單位沈陽自動化研究所研制的有纜深潛300m機器人，

17、無纜深潛機器人，遙控移動作業(yè)機器人，2000年國防科技大學研制的兩足類人機器人，北京航空航天大學研制的三指靈巧手，華南理工大學研制的點焊、弧焊機器人，以及各種機器人裝配系統(tǒng)等。 我國目前擁有機器人4000臺左右，主要在工業(yè)發(fā)達地區(qū)應用，而全世界應用機器人數(shù)量為83萬臺，其中主要集中在美國、日本等工業(yè)發(fā)達國家。在機器人研究方面，我國與發(fā)達國家還有一定差距。 1.2工業(yè)機器人概述: 在工業(yè)領域廣泛應用著工業(yè)機器人。工業(yè)機器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產(chǎn)的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。工業(yè)機器人的定義為:“一種自動定位控制、可重復編程的、多功能的

18、、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持l具，用以完成各種作業(yè)?！? 操作機定義為:“具有和人的手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置。” 一個典型的機器人系統(tǒng)由本體、關節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等兒部分組成。一般多自由度串聯(lián)機器人具有4～6個自由度，其中2～3個自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余2～3個目由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。 1.3本論文研究的主要內(nèi)容 系統(tǒng)學習了機器人技術的知識，查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)外機器人、主要是工業(yè)機器人的現(xiàn)狀有了比較詳細的了解。在此基礎上，結(jié)合作者本人的設想，和設計工作中需要解決的任務，

19、主要進行以下幾項工作: (1) 調(diào)研收集分析有關資料，總結(jié)工業(yè)機器手機構(gòu)工作特點； (2) 工業(yè)機器手機構(gòu)方案設計； (3) 工業(yè)機器手運動學分析與仿真； (4) 工業(yè)機器手動力學分析與仿真 （利用機械系統(tǒng)動力學分析軟件ADAMS對簡化后的操作臂模型進行運動學仿真，對在機械設計中使用虛擬樣機技術進行嘗試和探索）。 第2章 機器人方案的創(chuàng)成和機械結(jié)構(gòu)的設計 2.1機器人機械設計的特點 串聯(lián)機器人機械設計與一般的機械設計相比，有很多不同之處。首先，從機構(gòu)學的角度來看，機器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)(或移動關節(jié))連接起來的開式運動鏈。

20、開鏈結(jié)構(gòu)使得機器人的運動分析和靜力分析復雜，兩相鄰桿件坐標系之間的位姿關系、末端執(zhí)行器的位姿與各關節(jié)變量之間的關系、末端執(zhí)行器的受力和各關節(jié)驅(qū)動力矩(或力)之間的關系等，都不是一般機構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對空間開鏈機構(gòu)的運動學、靜力學方法。末端執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個關節(jié)驅(qū)動力矩之間的關系是動力學分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個關節(jié)的運動受到其它關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機器人是一個多輸入多輸出的、非線性、強藕合、位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，因此，即使通過

21、一定的簡化，也需要使用不同于一般機構(gòu)分析的專門分析方法。 其次，由于開鏈機構(gòu)相當于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機械誤差和彈性變形的累積使機器人的剛度和精度大受影響。因此在進行機器人機械設計時特別要注意剛度和精度設計。 再次，機器人是典型的機電一體化產(chǎn)品，在進行結(jié)構(gòu)設計時必須要考慮到驅(qū)動、控制等方面的問題，這和一般的機械產(chǎn)品設計是不同的。 另外，與一般機械產(chǎn)品相比，機器人的機械設計在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。 2.2與機器人有關的概念 以下是本文中涉及到的一些與機器人技術有關的概念。 1、自自度:工業(yè)機器人一般都為多關節(jié)的空間機構(gòu)，其運動副通常有移動副和轉(zhuǎn)動副兩種。相應

22、地，以轉(zhuǎn)動副相連的關節(jié)稱為轉(zhuǎn)動關節(jié)。以移動副相連的關節(jié)稱為移動關節(jié)。在這些關節(jié)中，單獨驅(qū)動的關節(jié)稱為主動關節(jié)。主動關節(jié)的數(shù)目稱為機器人的自由度。 2機器人的分類 機器人分類方法有多種。 (1)按機器人的控制方法的不同，可分為點位控制型(PTP)，連續(xù)軌跡控制型(CP): (a)點位控制型(Point to Point Control):機器人受控運動方式為自一個點位目標向另一個點位目標移動，只在目標點上完成操作。例如機器人在進行點焊時的軌跡控制。 (b)連續(xù)軌跡控制型(Continuous Path Control):機器人各關節(jié)同時做受控運動，使機器人末端執(zhí)行器按預期軌跡和速度運動

23、，為此各關節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動機的角位移和角速度信號，如機器人進行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時的軌跡控制。 (2)按機器人的結(jié)構(gòu)分類，可分為四類: (a)直角坐標型:該型機器人前三個關節(jié)為移動關節(jié)，運動方向垂直，其控制方案與數(shù)控機床類似，各關節(jié)之間沒有藕合，不會產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點是占地面積大、工作空間小。 (b)圓柱坐標型:該型機器人前三個關節(jié)為兩個移動關節(jié)和一個轉(zhuǎn)動關節(jié)，以θ，r，z:為坐標，位置函數(shù)為P=f(θ，r，z)，其中， r是手臂徑向長度，z是垂直方向的位移，θ是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡單。 (c)球坐標型:具有兩個轉(zhuǎn)動關節(jié)和一個

24、移動關節(jié)。以θ，φ， y為坐標，位置函數(shù)為P=f(θ，φ，y)，該型機器人的優(yōu)點是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。 (d)關節(jié)坐標型:有垂直關節(jié)型和水平關節(jié)型(SCARA型)機器人。前三個關節(jié)都是回轉(zhuǎn)關節(jié)，特點是動作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點是剛度和精度較差。 (3)按驅(qū)動方式分類: 按驅(qū)動方式可分為:(a)氣壓驅(qū)動;(b)液壓驅(qū)動;(。)電氣驅(qū)動。 電氣驅(qū)動是20世紀90年代后機器人系統(tǒng)應用最多的驅(qū)動方式。它有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制、使用方便、運動精度高、驅(qū)動效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點。 (4)按用途分類: 可分為搬運機器人、噴涂機器人、焊接機器人、裝配機器人、切削加工

25、機器人和特種用途機器人等。 2.3方案設計 2.3.1方案要求 如前所述，該機器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運、裝夾和日常生活中的持物、看護等。能夠固定在移動裝置(如AGV)上，以實現(xiàn)靈活移動。要求動作靈活，工作范圍大，被夾持物應具有多種姿態(tài)，自由度在5一6個，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。采用電動機驅(qū)動，設計負重為3公斤，手爪開合范圍5mm～100mm。 (1)基本工作要求： 長時間工作后機械手本體不產(chǎn)生顯著變形。 (2)運動要求: 機械手能把工件從位置1搬運到位置2，如圖2-1所示 圖2-1 (3)剛性要求： 手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性，運動

26、的速度和定位精度。如果剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時工件卡死無法工作，為此在設計手臂時應讓手臂具有足夠的剛度。 手腕和手臂的動作關系是：手臂的三個自由度是用來使工件（或工具）作上下、左右或前后往復移動和定位的，而手腕的三個自由度是用來調(diào)整該工件（或工具）的方向用的。 2.3.2設計方案的確定 （1）結(jié)構(gòu)特征 機械手具有6個自由度，屬于PUMA560型機械手。 機座采用落地式。 手腕的動作雖不多，但它要求結(jié)構(gòu)極其緊湊。在具有足夠力量的情況下，重量盡可能要輕，為此采用連桿杠桿式手爪。 （2）設計過程 確定各機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參

27、數(shù)與運動參數(shù)→寫出各尺寸間的運動關系→利用MATLAB編程進行簡單的運動學仿真→求機械手的逆解→計算機械手的工作空間→運用Pro/E和ADAMS對機械手進行建模和仿真。 機械手運動過程： 手爪抓取工件→大臂抬起45→小臂抬起45→機座旋轉(zhuǎn)180→大臂下降45→小臂下降45→手爪放開工件。 2.4方案結(jié)構(gòu)設計與分析 該機器人的本體組成如圖2一5。 圖2一5機器人本體組成 l底座部件; 2腰部回轉(zhuǎn)部件; 3大臂部件; 4小臂部件; 5手腕部件。 各部件組成和功能描述如下: (l)底座部件: 底座部件包括底座、回轉(zhuǎn)

28、部件、傳動部件和步進電機等。底座部件固定在自動引導車(AGV)上，支持整個操作機，步進電機固定在底座上，一級同步帶傳動將運動傳遞到腰部回轉(zhuǎn)軸，伺時起到減速作用。 (2)腰部回轉(zhuǎn)部件: 腰部回轉(zhuǎn)部件包括腰部支架、回轉(zhuǎn)軸、支架、諧波減速器和步進電機、制動器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回轉(zhuǎn)運動。在腰部支上固定著驅(qū)動大臂俯仰和小臂俯仰的電機。 (3)大臂部件:包括大臂和傳動部件。 (4)小臂部件:包括小臂、減速齒輪箱、傳動部件、傳動軸等，在小臂前端(靠近大臂的一端)固定驅(qū)動手腕三個運動的步進電機。 (5)手腕部件:包括手腕殼體、傳動齒輪和傳動軸、機械接口等。

29、 第3章 機械手的運動學分析 3.1概述 多自由度機器人是具有多個關節(jié)的空間機構(gòu)，為了描述末端執(zhí)行器在空間的位置和姿態(tài)，可以在每個關節(jié)上建立一個坐標系，利用坐標系之間的關系來描述末端執(zhí)行器的位姿。 建立坐標系的方法有多種。 常用的有D一H法(四參數(shù)法)和五參數(shù)法及矩陣變換法等。D一H法(四參數(shù)法)是1955年由Denavit和Hartenberg提出的一種建立相對位姿的矩陣方法。它用齊次變換描述各個連桿相對于固定參考系的空間幾何關系，用一個4x4的齊次變換矩陣描述相臨兩連桿的空間關系，從而推導出“末端執(zhí)行器坐標系”相對于“基坐標系”的等價齊次坐標變換矩

30、陣，建立操作臂的運動方程。本文中使用D一H法來建立坐標系并推導該機器人的運動方程。 3.2運動學分析 3.2.1空間機構(gòu)中兩任意坐標系的變換關系 空間機構(gòu)中相鄰兩構(gòu)件坐標系的變換如圖3-1所示。在兩構(gòu)件上分別建立兩右手直角坐標系和。固定在構(gòu)件上的坐標系可以看成是固定在構(gòu)件上的坐標系的原點沿軸移動的距離到達然后繞軸轉(zhuǎn)動角，再沿軸移動距離到達原點，再繞軸轉(zhuǎn)，得到新坐標系，即構(gòu)件的位置和姿態(tài)。 圖3-1 空間機構(gòu)相鄰兩構(gòu)件坐標系的變換 如圖可得到如下矢量關系 由于式中各矢量分屬不同的坐標系，引入變換矩陣，以便按同一坐標系進行運算。則有 設坐標系變換到坐標系的坐標變換矩

31、陣為， 3.2.2在各運動關節(jié)上建立坐標系 機械手由機座及六個活動桿件組成，具有六個旋轉(zhuǎn)關節(jié)。所謂運動學方程就是確定六個活動桿件的構(gòu)件坐標系向機座（或絕對）坐標系的齊次坐標變換。下面在各運動關節(jié)上建立坐標系，如圖3-2所示。 圖3-2 機械手機構(gòu)示意圖及其坐標系 3.2.3確定各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動變量 各關節(jié)的運動變量都是繞軸的轉(zhuǎn)角,分別用表示。將機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動變量列于表3-1中，這里的是運動變量，其余為結(jié)構(gòu)參數(shù)。 表3-1 機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動變量 構(gòu)件編號 0-1 0 -1 1-2 0 1 0

32、 2-3 0 1 3-4 0 -1 4-5 0 1 5-6 0 1 0 3.2.4寫出相鄰兩構(gòu)件坐標系間的位姿矩陣 設為構(gòu)件和構(gòu)件之間的齊次變換矩陣,利用公式（1），結(jié)合圖3-2易得： 3.3運用Matlab編程進行機械手的模擬運動 由于在MATLAB中進行的只是簡單的運動仿真，所以可將機械手簡化成杠桿機構(gòu)，如圖3-3所示。 圖3-3 為了編程方便，先建立各機構(gòu)間的尺寸關系，設 ，則 ， 。 編寫的程序分為六大塊，分別為‘設定機構(gòu)尺寸’、‘小臂上升45’

33、、‘大臂上升45’、‘底座旋轉(zhuǎn)180’、‘大臂下降45’和‘小臂下降45’。圖3-4為部分程序截圖。 圖3-4程序的部分截圖 程序編完后，點擊運行程序會出現(xiàn)圖3-5所示對話框。 圖3-5 運動仿真 該圖為構(gòu)件的初始位置，手爪在位置1處（整個過程中手爪部始終與地面保持垂直），按回車后，小臂繞轉(zhuǎn)動軸1旋轉(zhuǎn)45后抬起，再按回車，大臂繞轉(zhuǎn)動軸2旋轉(zhuǎn)45后抬起，再按回車，腰部繞旋轉(zhuǎn)中心逆時針旋轉(zhuǎn)180，再按回車，大臂繞轉(zhuǎn)動軸2旋轉(zhuǎn)45后下降，再按回車，小臂繞轉(zhuǎn)動軸2旋轉(zhuǎn)45后下降，這時手爪到達位置2。 3.4運動學方程的逆解 對運動學逆問題的求解方法，由式 可知，當

34、機器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)給定時，等式左端的矩陣為已知，而等式右端則包含很多待求的運動參數(shù)，而根據(jù)兩端矩陣的對應元素應相等，可得一組多變量的三角函數(shù)方程。求解這些運動參數(shù)，需解一組非線性超越函數(shù)方程。 1 求 采用逆變法求解，將用到齊次變換矩陣的逆矩陣 ， 將上式兩端矩陣相乘。其中若令（即將原點移至，使其重合；以簡化求解計算）則第四列的前三行元素的等式為 （3-1） （3-2） （3-3） 在矩陣12個對應元素等式中尋找到只含有一個待求運動參數(shù)的

35、式3-3，作三角代換，令，，則有,,代入式3-3，有 得：; ,取。 2 求 求得后，將式3-1和式3-2分別平方后相加并整理，得 上式右端為已經(jīng)量，將其整理成與式3-3類似的形式 仿式3-3得 ，取。 3 求 采用逆變換矩陣 左乘等式的兩端，得 其中令,上式經(jīng)矩陣連乘運算，得第四列的前三行元素等式為 （3-4） （3-5） （3-6） 將式3-4和式3-6聯(lián)立求解, 令，得 ，取。 3.3 確定機械

36、手的工作空間 根據(jù)國標中的規(guī)定，工作空間是指工業(yè)機器人正常運行時，手腕參考點能在空間活動的最大范圍。故用作為所求工作空間的參考點，將六自由度機機械手工作空間的計算簡化成三自由度機械手工作的計算。 圖3-6和圖3-7為機械手在平面內(nèi)的工作空間。 圖3-6 工作空間 圖3-7 工作空間 圖3-6是在平面內(nèi)以為圓心，為半徑的圓族所組成的扇形區(qū)域。 圖3-7是在平面內(nèi)以為圓心，為半徑的圓族所組成的扇形區(qū)域。 當繞著軸在取值范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，則形成了此機械手的工作空間，它是一個有一段開口的環(huán)行空間，其極限位置取決于的轉(zhuǎn)角范圍。 第4章 機械手的建模與仿真 4.1機械手的總體設計

37、 根據(jù)第三章計算出的結(jié)果結(jié)合PUMA560型機器人的外觀，運用Pro/E建立機械手各部分的模型，包括手腕、手臂、機座等等，然后在Pro/E里面新建一個組件將它們裝配起來并保存，形成完整的機械手裝配體。安裝Pro/E和ADAMS專用接口模塊Mechanism/Pro，打開保存的機械手裝配體，運用Mechanism/Pro將裝配體中的每個零件都設置成剛體，設置完成后給各關節(jié)創(chuàng)建運動副，加驅(qū)動（由于在Pro/E里面設置具體的運動參數(shù)比較麻煩，先設一任意值，導入ADAMS之后，在ADAMS里面修改）！在Mechanism/Pro菜單命令下保存，退出PRO/E。打開ADMAS，導入之前保存的文件，修改單

38、位為MMKS制，修改每個MOTION的運動參數(shù)。修改完后進行仿真，并檢查機械手的運動軌跡是否跟預想的一致，確定無誤后，將仿真過程做成動畫（AVI格式） 4.11 三維建模軟件Pro/E的介紹 Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功的CAD/CAM軟件之一。 Pro/E第一個提出了參數(shù)化設計的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決牲的相關性問題。另外

39、，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O計至生產(chǎn)全過程集成到一起，實現(xiàn)并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。 Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 4.12 PRO/E 建模 打開PRO/E→新建，類型選擇‘零件’，子類型選擇‘實體’，零件名自己命名，然后設置工作目錄文件夾機械手，然后點擊草繪工具命令，彈出如下圖所示的對話框，點擊FRONT平面作為草繪平面，使用默認草繪方向。點擊草繪對話框，進入草繪工作狀態(tài)

40、后，開始零件建模。 圖4-1 手抓 圖4-2 擺動手腕 圖4-3 旋轉(zhuǎn)手腕 圖4-4 機械手小臂 圖4-5 機械手大臂 圖4-6轉(zhuǎn)臺 圖4-7 機身 圖4-8基座 圖4-9基座蓋 圖4-10螺栓 圖4-11螺母 圖4-12轉(zhuǎn)軸1 圖4-13轉(zhuǎn)軸2 圖4-14轉(zhuǎn)軸3 待所有零件模型建完后，再將這些零件裝配。 打啟動Pro/ENGINEER Wildfire后，單擊圖標工具欄中的【新建文件】圖標，出現(xiàn)新建組件對話框。在【類型】欄中選擇【組件】，在【子類型】

41、欄中選擇【設計】，【名稱】采用默認名稱，單擊【確定】按鈕。此時，在主窗口將出現(xiàn)3個基準平面（依次為ASM_FRONT、ASM_RIGHT和ASM_TOP平面）。從中選擇并機械手的零件，將其打開在裝配區(qū)。得其裝配體如下圖所示。 圖4-13 機械手三維模型 4.2 運用ADAMS對模型進行仿真 4.21虛擬樣機技術概述 虛擬樣機技術(Virtual prototyping Teehnology)是指在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，將分散的零部件設計和分析技術(指在某一單一系統(tǒng)中零部件的CAD和FEA技術)揉和在一起，在計算機上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況

42、進行仿真分析，預測產(chǎn)品的整體性能，從而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的一種新技術。 隨著工業(yè)和經(jīng)濟的發(fā)展，制造業(yè)的競爭日趨激烈。工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)越來越向著多品種、小批量化發(fā)展，同時，對產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)時間提出了越來越高的要求。提高產(chǎn)品質(zhì)量;降低產(chǎn)品成本:增加產(chǎn)品的科技含量、縮短研制、生產(chǎn)周期;靈活地應對市場的變化成了制造業(yè)競爭者們追求的目標和生存的途徑。 在傳統(tǒng)的設計和制造過程中，一般的過程是首先概念設計而后方案論證，然后進行產(chǎn)品設計，在設計完成后，為了驗證設計，通常要進行產(chǎn)品的試制。當通過試驗發(fā)現(xiàn)設計缺陷時，再次修改設計并再次進行產(chǎn)品試制，通過反復地設計一試制一設計過程，才能達到目標要求。這一過

43、程是冗長的，設計周期無法縮短，就不可能對市場進行靈活應對，同時，樣機試制也增加了產(chǎn)品的成本，特別當用戶對產(chǎn)品的需求產(chǎn)生小批化、個性化的要求時，將對企業(yè)造成重大的損失。 虛擬樣機技術是從分析解決產(chǎn)品整體性能及其相關問題的角度出發(fā)，解決傳統(tǒng)設計和制造過程中的缺點的新技術。 在虛擬樣機技術中，設計人員直接利用計算機輔助設計(CAD)系統(tǒng)提供的零部件的物理信息和幾何信息，在計算機上定義零部件間的連接關系并對機械系統(tǒng)進行虛擬裝配，從而獲得機械系統(tǒng)的虛擬樣機，使用系統(tǒng)仿真軟件在各種虛擬環(huán)境中模擬系統(tǒng)的運動，并對其在各種情況下的運動和受力情況進行分析，觀察并實驗各組成部件相互運動情況，并在計給幣禮土反復

44、地修改設計缺陷，仿真小同的設計方案，對整個系統(tǒng)不舒地進仃改進，直到獲得最優(yōu)的設一計方案后，在進行物理樣機的試制。這樣，能夠縮短研發(fā)周期，盡量降低成本，避免不必要的損失。 虛擬樣機技術的核心是機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論，同時緊密結(jié)合了三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術，另外也.與計算機硬件、軟件技術的發(fā)展程度密切相關，計算機硬件的性能對虛擬樣機的分析計算、仿真的結(jié)果有著極大的影響和制約。 虛擬桿機技術在工程中的應用是通過界面友好、功能強大、性能穩(wěn)定的商晶化虛擬樣機軟件實現(xiàn)的。國外虛擬樣機已實現(xiàn)了商品化。目前有比較有影響的軟件有美國機械動力學公司的ADAMS，比利時LMS公司的D

45、ADS，德國航天局的SIMPACK。其中美國機械動力學公司的DAMAS占據(jù)了市場的50%以上?？梢哉fADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical)程序是世界上應用最廣泛的最具權(quán)威性的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件。 4.2.2 導入ADAMS仿真前的步驟 先在proe將機械手的裝配圖保存（*x_t）文件形式，如下圖 圖4-2-2-1 保存副本 按確定，→彈出：輸出PARASOLID窗口，如下圖 圖4-2-2-2 輸出 按確定，就會有保存的文件為 →打開 adams-view 彈出窗口 如圖4-2-2-3，在Model

46、name:寫入jixieshoufangzhen,按 ok 圖4-2-2-3 改文件名 →接下來是將在proe里建的三維模型導入到adams里，步驟如下：在adams-view-File-import：彈出一個窗口 圖4-2-2-4 import 點擊import將彈出一個窗口： 圖4-2-2-5 導入路徑 在File Type 欄里找到需要的文件格式：Parasolid( *.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，并選擇好文件的路徑，按ok， →導入到adams里的模型 圖4-2-2-5導入到adams里的模型 →在adams里定義

47、各個部件的質(zhì)量，具體步驟如下： 圖4-2-2-6 定義質(zhì)量步驟1 圖4-2-2-7 定義質(zhì)量步驟2 圖4-2-2-7 定義質(zhì)量步驟3 →設置轉(zhuǎn)動副 圖4-2-2-8設置轉(zhuǎn)動副 →設置需要固定的部件 圖4-2-2-9 設置固定 →加驅(qū)動 圖4-2-2-10加驅(qū)動 所有都設置好的模型圖 圖4-2-2-11在adams里模型 4.2.3運用ADAMS對機械手進行仿真 圖4-2-3-1 ADAMS命令對話框 點擊圖4-2-3-1中的按鈕，圖中Simulation一欄，End Time值設為3（秒）,Steps值設為500。點

48、擊→，這個時候機械手就從位置1運動到位置2了。 （4）將仿真過程做成動畫 在ADAMS主窗口下依次選擇菜單下的Review→postprocessing（或者直接按F8）,進入postprocessins頁面。在窗口左上角選擇Animation，進入動畫制作模式，然后在窗口右處黑色區(qū)域右擊鼠標出現(xiàn)如圖4-2-3-2所示對話框。 圖4-2-3-2 加載模型 圖4-2-3-2 動畫制作 選擇Load Animation，機械手模型就會出現(xiàn)在窗口黑色區(qū)域中，如圖4-2-3-2所示，將機械手調(diào)整到一個適合觀察的角度，然后依次選擇菜單中的File→Select Directory選

49、取動畫保存的文件夾。然后點擊圖中的紅色R按鈕，再點擊圖中的播放按紐開始錄象，掃描2次就可以了。 4.2.4用ADAMS仿真后處理 在ADAMS主菜單下依次選擇Review→Postprocessing（F8），彈出ADAMS/PostProcessor窗口，在該窗口下可對機械手進行運動學跟動力學的分析。 運動分析 在窗口左上角選擇Plotting，選擇窗口右下角 ‘DATA’ 標簽，在標簽下有幾個地方可供用戶選擇?！甪ilter’一欄為分析對象，可選擇零件、力或者鉸鏈；‘Object’一欄是用來確定分析哪個零件的；‘Characteristic’一欄是用來確定分析的內(nèi)容，如速

50、度、加速度、角速度和角加速度等等；‘component’一欄是用來確定參考系的。都選種之后，點擊‘Add Curves’，然后運動曲線圖就出來了。 圖1為大臂的位置、速度和加速度在方向上隨時間變化的曲線圖。 圖1 圖2為大臂的角速度和角加速度在方向上以及動能隨時間變化的曲線圖。 圖2 第5章 總結(jié) 本論文取得的結(jié)果 在Pro/E中完成零件的三維造型和裝配后，再將模型導入ADAMS中，從而克服了ADAMS三維造型能力差的缺點。三維裝配模型導入ADAMS中后，能很好的對機械手進行運動學的分析。另外也可以對機械手進行靜力學、動力學等方面的分析，觀察其工作姿態(tài)，判斷

51、其運動方案的合理性，為對機器人的其他控制打下基礎。此技術同樣可以應用到工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及機械制造等眾多相關領域，能大大簡化產(chǎn)品開發(fā)過程，縮短開發(fā)周期，減少開發(fā)費用和成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 該設計可作進一步的改進，在ADAMS仿真一塊可改變各鉸鏈處驅(qū)動的運動函數(shù)實現(xiàn)機械手預期的軌跡運動。 致 謝 本論文是在導師李濱城教授的悉心指導下完成的。老師對我們很關心，從論文選題到論文完成，導師淵博的學識、活躍的學術思想、對待研究的嚴謹態(tài)度和無私的奉獻精神都是學生的楷模，使我受益，在論文完成之際，謹向尊敬

52、的導師致以崇高的敬意和由衷的感謝。 感謝學姐楊丹同學，她很耐心幫我分析我問題，給我講解在adams里運動仿真要設置的相關細節(jié)問題。 感謝老師和同學的幫助讓我在大學四年的最后時間里學到了很多知識，從proe都不會到熟練的程度，學會了用adams仿真等，感覺這兩個月過的很充實，忙中有樂。 真心感謝關心我的同學們，送給你們最深的祝福！我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報母校的培育之情，爭取使自己的人生對社會產(chǎn)生些許積極的價值！ 參考文獻 [1] 黃純穎等. 機械創(chuàng)新設計[M]。北京：高等教育出版社， 2000.7 [2] 郭仁生. 機械工程

53、設計分析和Matlab應用[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2006.8 [3] 周金萍等. MATLAB 6實踐與提高[M]。 北京：中國電力出版社，2002.1 [4] 鄭建榮. ADAMS虛擬樣機技術入門與提高。北京：機械工業(yè)出版社，2002.1 [5] 徐應.機械設計手冊[M]。北京：機械工業(yè)出版社，2000 [6] 張繼春，楊建國. 裝配設計與運動仿真及Pro/E實現(xiàn)[M]。北京：國防工業(yè)出版社，2006.1 [7] 劉廣瑞. 機器人創(chuàng)新制作[M]。西安：西北工業(yè)大學出版社，2007.02 [8] 馮辛安，黃玉美。機械制造裝備設計.機械工業(yè)出版社，1999.10 [9] 周伯英。工業(yè)機器人設計-機械工業(yè)出版社，1995 [10] 孫迪生，王炎。機器人控制技術.機械工業(yè)出版社，1998 附錄： 1、外文資料 2、中文翻譯 另附：機械手裝配圖及機械手腕裝配圖 第 42 頁 共 42 頁