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其它论文

基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真

时间:2015-04-01 22:05:25   作者:   来源:   阅读:3267   评论:0

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基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真

内容简介:

1 引言
1.1工业机械手研究现状
    随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展,机器人仿真系统在机器人设计和研究方面,发挥着重要的作用,它可应用于机器人的许多方面,已成为机器人学的一个重要分支。例如:可帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限;还能帮助研究人员了解机器人工作空间的形态与合理性;可用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性;可为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段;可以用于实时检测机器人与作业环境之间 的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全等。此外,仿真技术还可以帮助用户选择适合特定作业环境的机器人类型。
    机械手是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果,代表了机电一体化的最高成就,是目前科技发展最活跃的领域之一。
    工业机械手的性能,要求不断提高工作精度和作业速度,增加机构的自由度,提高通用性和灵活性,同时还要求降低成本,控制简单,安全可靠。因此,工业机械手的研究处于机械手研究的前沿。
    多自由度机械手已经得到了广泛的研究,但自由度较少的工业机械手,以其造价低廉、结构紧凑、刚度高、定位精度高、响应速度快、实用性强等优势,有极高的性价比,在实际工业市场得到了广泛的应用。水平多关节工业机械手由于精度高、运动速度快,串联四自由度导致其靠后的驱动电机和传动系统都位于运动着的臂上,导致系统惯性增加,系统动力性能恶化;又由于串联机构求正解较容易,而求逆解则较困难,因此运动学与动力学计算困难,导致在设计中必须放宽各种设计参数;还因为机器较重,并进一步导致驱动部分变大,系统响应速度降低,大型驱动部分难以取得较高的精度。
1.2 工业机械手的功能及应用
    机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作,如搬物、装配、切割、喷染等等,应用非常广泛。
在现代工业中,生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高,现代化加工车间,常配有机械手,以提高生产效率,完成工人难以完成的或者危险的工作。可是在机械工业中,加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍,美国生产的全部工业零件中,有75%是小批量生产;金属加工生产批量中有四分之三在50件以下,零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出,装卸、搬运等工序机械化的迫切性,工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有:注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序,机械手加工行业中用于取料、送料,浇铸行业中用于提取高温熔液等等。下面具体说明机械手在工业方面的应用。
(1) 建造旋转零件(转轴、盘类、环类)自动线
    一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多,如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线(环类),大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线(轴类),上海拖拉机厂的齿坯自动线(盘类)等。加工箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。
(2)在实现单机自动化方面
    各类半自动车床,有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下料;装上机械手,可实现全自动化生产,一人看管多台机床。目前,机械手在这方面应用很多,如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手,大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手,沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手,青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验,国内一些机床厂已在这类产品出厂时就附上机械手,或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手(生产线中有两台多工位机床)和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手的自动装卸工件,可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面:一是160t以上的冲床用机械手的较多,如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等;二是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。
(3)铸、锻、焊热处理等热加工方面
    模锻方面,国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成一定角度布置在炉前,实现进出料自动化,上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。
1.3本文研究内容及研究意义
    本文所介绍的方法是使用Pro/Engineer 进行3D 建模,并使用ADAMS 进行运动学和动力学仿真。在机械手的设计过程中,使用计算机模拟计算实际机械手的运动与受力特征,指导3D 设计过程的方法,可以降低机械手的开发周期,降低了机械手的开发成本;机械手的运动学仿真,还具有进行样机试验无法比拟的其他优势,包含可以准确预测机械手的下一步的运动过程,通过更改机械手的控制算法,可以降低机械手的能耗、反应时间,而且还具有及时改进设计参数、再次进行仿真、避免重复的实物建造等一系列降低费用、缩短开发周期的优点。
2工程机械仿真简介
2.1 概述
    建国以来,工程机械行业从无到有,从弱到强,走过了波澜壮阔的60年风雨历程,为我国的现代化建设做出了重要贡献。工程机械行业已经成为我国工业领域在自主创新、品牌建设、出口创汇等方面的典范,涌现了一批在国内外有影响力的人物、企业、品牌。
2.2工程机械仿真的思想、内容和特点
    工程机械是否具有优良品质、使用性能和可靠性水平,取决于采用先进的设计理论和方法手段产生的优化的零部件及机器整体的结构形状。工程机械仿真设
    计的基本思想、 内容是: 建立以机器的技术经济效益综合评价指标为优化准则, 在相似的使用条件下,从结构尺寸相似的现有机器产品系列中筛选出技术经济指标和效益指标最优的机器作为样机,然后根据描述机器技术形态和工作过程的数学方程,运用相似理论推导出设计机器与样机参数间的相似公式,利用计算机进行计算和处理,迅速将优化样机参数换算到要设计的机器上,并根据所得新机器的主要参数和样机的结构与图形,绘制出设计机器的图纸。仿真设计的特点主要是理论性强、速度快、费用低,是工程机械研制新机器的良好途径,它不仅对提高机器的开发速度,保证设计质量有良好的实用价值,而且对引进机器设备的仿制及系列化具有重要作用。 
2.3 参数化设计概念
    参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。采用参数化模型,通过调整参数来修改和控制几何形状,从而自动实现产品的精确造型。这些重要的几何参数包括控制形体大小的尺寸和定位形体的方向矢量等。 
    参数化技术以约束为核心,是一种比约束自由造型技术更新颖、更好的造型技术。该技术具有以下3个方面的优点: 
( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无需精通绘图,只需勾绘草图即可,提高了设计的柔性。 
( 2 ) 便于系列化设计。同种规格零件的不同尺寸系列可在一次设计成型后通过修改尺寸得到。  
( 3 ) 便于随时编辑、修改,能满足反复设计要求。 
2.4 工程机械零部件参数化仿真设计
    工程机械各个机构由很多的零部件构成,其中存在大量的相似件,同一系列的机型之间也有大量的相似件。在传统的二维、 三维设计方法上,需要对每一个零部件进行分别建模,这就必然要求占用较多的时间和空间,浪费更多的精力,而且在对零部件进行修改时,需要改动的参数也比较多,花费大量的时间和精力,对设计者来说节省设计时间、提高设计效率成为主题。
3 Pro/E功能介绍
3.1引言
    Pro/E是全方位的3D产品开发软件包,和相关软件Pro/DESINGER(造型设计)、Pro/MECHANICA(功能仿真),集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能,从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程,国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统,作为企业的标准软件进行产品设计。
3.2 Pro/E对三维模型的处理
3.2.1 Pro/E的三维模型创建功能
    特征造型是几何造型技术的发展,它对诸如零件形状、尺寸、工艺、功能等相关信息的综合描述更直观和更具工程含义。基于特征的造型系统一般先将大量的标准特征或用户自定义特征存入数据库,在设计阶段调用特征库中的特征作为基本造型单元进行建模,再逐步输入几何信息、工艺信息,建立零件的特征数据模型,并将其存入数据库。基于特征的造型方法大大地提高了设计效率和质量,同时在设计过程中设计人员可方便地进行特征的合法性、相关性检查,便于组织复杂的特征。特征建模过程实际上是一系列特征的累加过程。
    在三维建模中主要有以下3种特征:
(1)实体特征 它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征(如实体的突出部分),也可以是负空间特征(如实体上的孔、槽等)。在Pro/E中,根据建模方式和原理的差异,把实体特征进一步分为基础特征和工程特征。基础特征是三维模型设计的起点,包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等;工程特征是在基础特征上的附加特征,它的创建依赖于已存在的基础特征,是有一定工程应用价值的特征,包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。
(2)曲面特征 它是一种没有质量和体积的几何特征,对曲面的精确描述比较复杂,在目前三维造型中通常采用“B样条曲线”为基础,通过曲率分布图对曲线进行编辑,进而得到高质量的曲面造型。曲面特征主要用于产品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。
(3)基准特征 指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说,基准特征主要用于辅助三维模型的创建。
3.2.2 Pro/E建模的一般过程
    建模的各个过程有机地结合起来,形成一个整体,整个建模过程就是基于特征为基本单位的参数化设计过程。其中参数包括几何参数和尺寸参数。几何参数确定了实体特征基本位置的固定关系,尺寸参数决定了产品外观尺寸和相对距离。利用参数可以准确控制和修改所建立的三维模型。
    Pro/E建模的一般过程如下:
(1) 建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准:如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时,都要利用基准特征作为参照;
(2) 建立基础实体特征:拉伸、旋转、扫描、混合等。利用Pro/E建模首先从整体研究将要建模的零件,分析其特征组成,明确不同特征之间的关系和内在联系,确定零件特征的创建顺序,在此基础上进行建模、添加工程特征等设计。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Pro/E三维模型将线框、曲面和实体三者结合起来;
(3) 建立工程特征:孔、倒角、肋、拔模等;
(4) 特征的修改:特征阵列、特征复制等编辑操作;
(5) 添加材质和渲染处理。  
 3.2.3 利用族表实现零件系列化设计   
    系列化设计是指对于某些基本形状相似的零件,通过修改参数即可自动生成新的系列化零件的设计方法,系列化设计可大大节省设计时间,提高设计效率。Pro/ E提供的族表实质上是一电子表格,该表格由行和列组成。族表中由用户建立的零件为基础零件(父零件),以基础零件为基础,通过控制参数驱动生成的零件为族成员(子零件),所有基础零件和族成员的集合即为族表。
3.3 Pro/E的特点及产品外观造型设计
    Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。与其他同类三维软件(MDT、UG、CATIA等)相比,Pro/ENGINEER的不同之处在于以下几点:
(1) 基于特征的(Feature-Based)
    Pro/E是一个基于特征的(Feature-Based)实体模型建模工具,利用每次个别建构区块的方式构建模型。设计者根据每个加工过程,在模型上构建一个单独特征。特征是最小的建构区块,若以简单的特征建构模型,在修改模型时,更有弹性。
(2)关联的(Associative)   
    通过创建零件、装配、绘图等方式,可利用Pro/ENGINEER验证模型。由于各功能模块之间是相互关联的,如果改变装配中的某一零件,系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。
(3)参数化(Parametric)
    Pro/ENGINEER为一参数化系统,即特征之间存在相互关系,使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更,以满足设计者的要求。如果某一特征参考到其他特征时,特征之间即产生父/子(parent/child)关系。
(4)构造曲面(surface)
    复杂曲面的生成主要有三种方法:1)由外部的点集,生成三维曲线,再利用Pro/E下surface的功能生成曲面;2)直接输入由Pro/designer(造型设计)产生的曲面;3)利用import(输入)功能,以IGES、 SET、VDA、Neutral等格式,输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。
(5)在装配图中构建实体
    根据已建好的实体模型,在装配(component)中,利用其特征(平面,曲面或轴线)为基准,直接构建(Create)新的实体模型。这样建立的模型便于装配,在系统默认(default)状态下,完成装配。
在产品进行设计之前,首先要搞清楚利用软件进行设计的步骤或流程。使用PRO/E一般要遵循一定的流程:
(1)确定产品的基本结构
    分析产品的基本结构,确定将产品分为几部分,根据产品的特征,建立特征曲线,使用PRO/E可接受的造型方法,构建产品的主体轮廓。例如,可将电饭煲分为三部分:锅盖总成、按键总成、锅体总成。在设计时,可先将锅盖、锅体、按键作为一体来考虑,设计完成后,用分模的方法分为三部分,按键的形状及装配位置要同锅体的曲面配合,因此,该产品应按照锅盖部分、锅体部分、按键部分的顺序进行设计。
(2)建模
    按照PRO/E建模的规则,使用各种适当的建模方法,建立主体模型。其设计思路是由简到繁,由基本到复杂,复杂的几何体都是由一个简单的几何特征组合构成的。
(3)修剪曲面
    使用SURFACE菜单下的各种选项,如MERGE(融合曲面),包括:JOIN(连接)、INTERSECT(相交)、TRIM(修剪曲面)、EXTEND(延伸曲面)等,对曲面进行修剪、编辑,完成模型的初步设计。
(4)曲面检测
    检查曲面光滑度、曲率变化的连续性等项目,来确认曲面是否符合设计要求。一般情况下,对曲面进行渲染RENDER或SHADING处理,通过VISIBILITY(可见度)、TRANSPARENCY(透明度)、LIGHT(灯光设置)等手段,产生高清晰度的曲面,判断曲面的光滑性。此外,还可以用ANALYSIS-SURFACE ANALYSIS工具,对曲面的最小曲率半径、最大曲率半径、高斯曲率(GAUSS CURVATURE)等项目进行检测,从曲率图表、彩色图象的颜色变化,可以直观地了解曲面的光滑性。如果曲面的外观质量不符合设计要求,可以修改曲面的参数,以得到效果符合要求的曲面。由于PRO/E软件的基本特征之一就是参数化,通过改变参数实现曲面的变化是很容易的。
(6)圆顺边角
    在建立CAD模型时,特征与特征之间存在父/子关系,如果增加特征或修改特征,则会引起边、面的改变,从而导致圆角特征失败,因此,边、面的圆角或光滑过度一般在模型设计的后期进行。Pro/E提供强大的圆角功能,可以完成单一边界、多边界,单一半径、变半径的圆角。此外利用软件提供的Advanced Round(高级圆角功能),通过指定圆角的形式、圆角相交时截面的形状,可达到圆顺部分不同的外观效果,是区别于其他三维软件的特色之一。在实际使用过程中,笔者发现倒圆角有一定的先后顺序,遵循由大到小、先凹后凸的原则,一般可获得成功。如果产生失败,采用改变圆角顺序、Boundary(边界曲面)和特征结合使用的方法,往往能得到满意的效果。
    最后,Pro/Engineer Wildfire版本更加完善了软件的用户界面和功能,其中包含了目前国际上先进的工程设计理念和设计思想,如To-down设计、并行设计、柔性设计、系统灵敏度设计技术,在进一步推广和使用Pro/E软件的同时,这些先进的设计技术也将引入到工业产品造型设计中,与其他三维造型设计软件相比,Pro/E在结构设计上具有特殊的优势,将Pro/E运用到产品造型设计和结构设计的各个环节必将全面推动产品设计的发展和进步,与世界先进计算机辅助设计技术接轨。
4 ADAMS功能介绍
4.1 ADAMS概述
    ADAMS,即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems),该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前,ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料,ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额,现已经并入美国MSC公司。
    ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
    ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件,用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析;另一方面,又是虚拟样机分析开发工具,其开放性的程序结构和多种接口,可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。
    ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成,用户不仅可以采用通用模块对一般的机械系统进行仿真,而且可以采用专用模块针对特定工业应用领域的问题,进行快速有效的建模与仿真分析。
4.2  ADAMS基本功能
    ADAMS软件提供的分析类型如下:
(1)结构静力分析
    用来求解外载荷引起的位移、应力和力,静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ADAMS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析,而且也可以进行非线性分析,如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。
(2)结构动力学分析
    结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响,与静力分析不同,动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。可进行ADAMS的结构动力学分析类型包括:瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。
(3)结构非线性分析
    结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ADAMS程序可求解静态和瞬态非线性问题,包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。
(4)动力学分析
    ADAMS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时,可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性,并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。
(5)热分析
    程序可处理热传递的三种基本类型:传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析,热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及摹拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。
(6)电磁场分析
    主要用于电磁场问题的分析,如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等,还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。
(7)流体动力学分析
    ADAMS流体单元能进行流体动力学分析,分析类型可以为瞬态或稳态,分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率,并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外,还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。
(8)声场分析
    程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播,或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应,研究音乐大厅的声场强度分布,或预测水对振动船体的阻尼效应。
(9)压电分析
    用于分析二维或三维结构对AC(交流)、DC(直流)或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应,这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析:静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。
4.3 ADAMS和Pro/E之间的数据转换
    要对一种复杂的机械系统进行比较精确的动力学仿真研究,一种比较流行的解决方案就是用专业的CAD软件和专业的动力学仿真软件进行联合建模,即先用专业的CAD 软件精确建立复杂机械系统各零部件的三维实体图和机构装配图,而后转化到专业的动力学仿真软件下添加复杂的力和约束,最终形成系统的虚拟样机,并在样机上对系统进行动力学仿真研究。但由于当前没有一款软件同时具有专业CAD建模和专业动力学仿真的功能,通常选用的CAD软件和动力学仿真软件是两个不同公司的产品,这就存在两个软件传递过程中“有缝联接”的处理问题。
    目前国内这方面研究的一种常见组合是美国PTC公司的Pro/E 和美国MDI公司的ADAMS,故对于从事复杂机械动力学仿真研究的ADAMS工程师而言,正确处理Pro/E 和ADAMS的传递是确保仿真效果的一项关键技术。对于Pro/E和ADAMS的传递,用MDI公司提供的专用接口模块Mechanism/Pro比较方便,定义好零部件的单位和密度是最基本的要求。
    如今,MDI公司已经发布了ADAMS10.0版本,10.0新版本是在9.0软件的基础上研发的,与其有很好的兼容性,它延续了ANSYS一贯强大的耦合场技术,10.0版本为复杂的流固耦合(FSI)问题提供了更完善的解决方案。该版本整合了世界一流的应力分析和流体分析技术,形成了一套完整的FSI解决方案,通过适合于特定场要求的网格划分,一个单一的几何体可以应用于两种场。该版本提供了有效地解决FSI动力学分析的信息交换功能,目前市场上没有任何其他的FSI软件可以提供如此强大的稳健性和高度的精确性的分析。另外,该版本可以在多个机群进行并行处理解决超大模型。
5仿真分析
5.1 仿真流程图
基于ADAMS的建模功能并不强大,只能建一些简单的模型。所以本文先采用专业的CAD软件Pro/E 建立机械手的机构模型, 然后通过Mechanism/Pro口模块导入ADAMS中进行运动学仿真。整个仿真流程如图1所示:
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
 
图1 仿真计算流程
5.2模型建立
5.2.1利用Pro/E建立机构模型
    图2即为在CAD软件Pro/E中所建立的机械手机构模型。假设各杆件质量分布匀,且为刚体,图中可以清楚地看到该机械手由机座、腰部、大臂、小臂、手腕以及夹持器几部分构成,其中腰部与机座之间、大臂与腰部之间、小臂与大臂之间分别通过旋转关节连接。此三个关节的作用是使与其连接的杆件构成相对转动,即机械手的三个自由度,它们决定了机械手末端在空间中的位置,机械手的腕部有两个旋转关节连接,包含滚转和俯仰共两个自由度,他们决定了机械手在空间中的姿态。机械手的技术参数如表1所示。
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
图2 机械手模型
表1 机械手的技术参数

关节数
关节类型
关节变量范围
1
R(腰部回转)
-130°~130°
2
R(大臂俯仰)
-45°~135°
3
R(小臂俯仰)
-180°~0°
4
R(腕部回转)
-180°~180°
5
R(腕部俯仰)
-225°~45°

    该机械手可看作一个开式运动链,由连杆通过转动关节串联而成。开链的一端固定在地面基座上,另一端是自由的,安装着工具(或称为末端执行器),用来完成各种作业。整个机械手的运动是由分别安装在每个旋转关节上的步进电机驱动,经谐波减速器减速后带动连杆转动,只要给定各个关节的角度值,机械手就可以以一定姿态运动到指定位置。如果给定机械手初态和末态位置坐标,也可以测出机械手各关节角度值及其随时间的变化规律曲线。在创建3D模型之前,最好定义各种材料的零件的模板。在建模过程中,严格按照零件材料选用模板,可以减少输入密度的工作。对于各种电机,传感器等多种材料的不见,需要计算出密度并输入相应的模型中。下面给出机械手的装配图。如图3所示:
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
 图3 机械手装配图
    在装配过程中,对有运动关系的零件之间,在Pro/Engineer中使用关节装配方式,可以省去部分在ADAMS中工作。
    在添加约束的过程中,需要详细的定义各种运动副,本文中主要是转动副和旋转副。
5.2.2 ADAMS仿真模型等效转换
    我们利用Pro/E 与ADAMS 软件的接口Mechanism/Pro,将机构模型转入ADAMS中。由于Pro/E和ADAMS来自两个不同的公司,两者间属“有缝连接”,两者间不同的图形格式在转换时一些图形元素可能会丢失,此时需要返回并做相应的修改,进一步完善模型,确保无误后添加约束及驱动。对于本论文中的机械手主要包括固定副,关节的旋转副及驱动,各部件的约束关系尽可能与实际系统相一致,最终形成系统的虚拟样机。此时的样机包含两部分,一部分为大地(固定件)模型,另一部分为运动件模,各关节的连接关系可以在ADAMS的信息窗口中看到。接下来就可以进行仿真分析了。
5.3 ADAMS仿真
5.3.1仿真设置
    本次仿真主要观察在给定机械手五个关节角的值后,让机械手的末端达到一定位姿,要求机械手的前三个关节先动,之后腕部关节再旋转调整姿态。首先ADAMS定义的运动可以是与时间有关的位移、速度和加速度,默认状态下运动的速度定义为常数。我们可以通过三种方法自定义运动值:
(1)输入移动或旋转的速度。在默认情况下,输入的转速单位为度/单位时间,输入的移动单位为长度/单位时间。
(2)使用函数表达式。
(3)输入自编函数子程序的传递参数。还可以编一个子程序定义非常复杂的运动,此时,在参数栏输入的是传递给子程序的参数,本次仿真使用的是第二种方法,输入函数。ADAMS提供了很多函数,这里使用五个STEP函数来定义五个旋转副的运动。具体如下:
Motion1_jizuo_yao:step(time,0,0,1,90d)
Motion2_dabi_yao:step(time,0,0,1,45d)
Motion3_xiaobi_dabi:step(time,0,0,1,-90d)
Motion4_wanl_xiaobi:(time,1,0,2,-90d)
Motion5_wan2_wan1:(time,2,0,3,-135d)
设定仿真时间为3 S,仿真步数为200。
 5.3.2仿真结果
    在仿真结束后,进行测量输出。ADAMS提供了两种类型的测量,一种是预先定义好的自动输出结果的测量,如:构件、点、柔性件、力、运动副等对象的位移、速度和加速度、动能和势能、力等有关信息;另一种是用户自定义的测量。ADAMS的测量功能非常广泛,不仅可以在仿真分析过程中跟踪绘制感兴趣的变量,以便跟踪了解仿真分析过程,同时还可以在仿真分析结束后绘制有关变量的变化线。在这里我们测量手部末端WAN3随时间的位移变化,得图4所示曲线图。图4中可以清楚地看到机械手臂全部位移大部分集中在第一秒内,也就是说,要腰关节,肩关节,肘关节的旋转已经基本达到所需位置,而腕部的滚转、俯仰两关节的作用是对手部姿态做调整,位移的变化并不大。
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
图4 手部末端位移曲线图
图5为机械手末端速度变化曲线图,可以看到与实际情况是非常吻合的。
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
图5 机械手末端速度变化曲线图
    运动学仿真后,还可测出各个关节上的驱动力,这里只给出腕关节的驱动力曲线图,如图6。
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
图6 腕部驱动力曲线图
6 运动学分析
6.1 建立坐标系
如图7所示,建立坐标系:
基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
图7 三转动一平移机械构型图
6.2 运动学分析
    建立的坐标系,O点为机座定位点,以O点为原点建立坐标系XOYOZO ,此坐标系即为世界坐标系OXOYOZO;在A点建立机械手坐标系AXAYAZA,XA指向AB杆,Z轴方向与ZO一致,按右手笛卡尔坐标系确定Y轴方向;在B点建立坐标系BXBYBZB ;在C点建立坐标系CXCYCZC,其中XC指向DP方向;在D点建立坐标系DXDYDZD,其中XD指向DP方向,P点工作点在 DXDYDZD中的坐标为(l3, 0, 0)。
从工件坐标系向世界坐标系的变换如下式(1):基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真
                                                                 (1) 
其中l1为AB长度,l2为BC段长度,l3为DP长度,l为CD间的距离,变量以X表示 [XOP YOP ZOP],以θ表示变量[θ1 θ2 θ3 l ],则可以用如下式(2)表达式(1):
X=f(θ)                             (2)
    由此可以解出末端坐标系相对于世界坐标系的位姿运动,反解主要是求解位姿运动方程(1)的反问题,是由机械手的笛卡尔空间到关节空间的逆变换,即求解θ 1,θ2,θ3,l的过程。
    此时,由于只有三个方程,但却有4个变量,即由于三转动一平移,共四个自由度导致可以出现无穷解 因此一般机械手在运动反解的过程中,都需要限定其他的条件,以在无穷解中选取有穷解,这种限定条件一般为:行程最短,功率最省,受力最好,回避障碍或机械手在工作位置DP臂相对世界坐标系成一固定夹角等,有时候数种限定条件一起添加,以获得最优解。假设此处使用DP臂与世界坐标系成一固定夹角和θ1最小为原则,即:
θ1+θ2+θ3=ß                           (3)               
且θ1取最小值。
由式(1)(2)(3)综合,即可以求出运动方程的反解:
θ=ƒˉ(X)                            (4)
对式(2)求一阶、二阶导数,即可以得到在已知 θ1,θ2,θ3,1的情况下的P点的各个坐标位置,各坐标方向的速度,各坐标方向的加速度。
同理,对式(4)求一阶,二阶导数,即可以得到在已知P点位置的情况下,综合限定条件就得到机械手各转动臂的角度、角速度、角加速度,以及平移的距离、 速度、加速度。
    在创建3D模型之前,最好定义各种材料的零件的模板。在建模过程中,严格按照零件材料选用模板,可以减少输入密度的工作,对于各种电机,传感器等多种材料的部件,需要计算出密度并输入相应的模型中。在装配过程中,对有运动关系的零件之间,在 Pro/Engineer中使用关节装配方式,可以省去部分在ADAMS中工作,在添加约束的过程中,需要详细的定义各种运动副,本文中主要是旋转副和移动副。 
7结束语
    本文介绍的方法,通过对四自由度机械手的运动学仿真分析,使机械手的整个运动过程直观明了,同时测量了手部末端的位移、速度随时间的变化曲线,及腕关节的驱动力。对机械手的轨迹规划及其控制奠定了基础,此技术可以进一步指导机械手的其他控制方面,如轨迹规划,最优路径选择,误差补偿控制等各个方面,简化了设计过程,缩短了设计周期,减少开发费用,提高了产品的品质。
研制工业机械手越来越受到人们的关注,对机械手的研究也是日新月异。可以想象,未来的工业机械手势必会有下面几种发展趋势:
1.工业机械手性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降。
2.机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机,国外已有模块化装配机器人产品问市。
3.工业机械手控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化,器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
4.机械手应用普及,机器人化机械开始兴起。
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致谢
    在本次论文的设计过程中,我运用了以前所学的相关专业知识,查阅了许多有关机械手方面的书籍。在指导老师不辞辛劳的指导和我们这个小组几位同学的帮助下,我顺利地完成了这次毕业设计
    论文的完成,虽然凝聚着自己的辛勤与汗水,但是如果没有以前老师对我的培养和教育,没有指导老师不厌其烦的指导,没有同学们的热心帮助,只凭自己的努力,这次论文的质量就一定会大打折扣。在此,向帮助过我的老师和同学们,表示衷心的感谢!

 


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