工业机械手运动分析与仿真论文 41页

江苏科技大学本科毕业设计（论文）本科毕业设计(论文)学院专业学生姓名班级学号指导教师二零零九年六月-I-\n江苏科技大学本科毕业论文工业机械手的运动分析与仿真（kinematicsanalysisandsimulationoftheindustrialrobot）第41页共41页\n摘要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在生产线或加工设备旁边作业的，本论文在参考大量文献资料的基础上，结合项目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV上以实现移动的六自由度串联机器人。首先，针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择其中最优的方案进行了结构设计;同时进行了运动学分析，用D一H方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解;用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度;然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。在Pro/E中完成6自由度机械手及其手爪的三维造型和装配，将模型导入ADAMS中，并进行运动学仿真，得到机械手各个部位的速度、加速度、角速度、角加速度在X、Y和Z方向上随时间变化的曲线图。最后用ADAMS软件进行了机器人手臂的运动学仿真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了经验。关键词:机器人;建模；运动学分析;反解；仿真第41页共41页\nABSTRACTInthePasttwentyyears，therobottechnologyhasbeendevelopedgreatlyandusedinmanydifferentfields.Thereisalargegapbetweenourcountryandthedevelopedcountriesinresearchandapplicationoftherobottechnologysothattherewillbeagreatvaluetostudy，designandapplieddifferentkindsofrobots，especiallyindustrialrobots.Mosttypicalindustrialrobotssuchasweldingrobot，paintingrobotandassemblyrobotareallfixedontheproductlineornearthemachiningequipmentwhentheyareworking.Basedonlargernumberofrelativeliteraturesandcombinedwiththeneedofproject，theauthorhavedesignedakindofsmall一sizeserialrobotwith6degreeoffreedomwhichcanbefixedontheAGVtoconstructamobilerobot.Firstofall，severalkindsofschemeswereproposedaccordingtothedesigndemand.Thebestschemewaschosenafteranalysisandcomparingandthestructurewasdesigned.Atsametime，Thekinematicsanalysiswasconducted，coordinatetransformationmatrixusingD一Hmethodwassetup，andthekinematicsequationdirectsolutionandinversesolutionwasdeduced，thematrixwasconstructedusingvectorproductmethod，andthevaluesdisplacementandvelocityofsomespecialpointincludingthewristpointwerecalculated.Secondly，theworkingspaceoftherobotwasanalyzedandtheaxessectionofpracticalworkingspacewasdrawn.Theseworksprovidedabasistostructuredesign,kinematicsandcontrol.InthePro/Edothecompletionofsixdegreesoffreedommanipulator’sandgripper’sthree-dimensionalmodelingandassembly.modelswillbeimportedinADAMS,anddothesimulationandkinematics.Gainthespeed,acceleration,velocity,angleaccelerationofit’svariouspartsintheX,YandZdirectionovertimethecurve.Atlast,therobotarm′skinematicswassimulatedbyusingsoftwareADAMS，andthesimulationresultwasanalyzed.Intheexperiment，theauthortriedtousethevirtualprototypingtechnologyinmechanismdesign.Keywords:Robot;modeling;KinematicsAnalysis;reversekinematics;simulation第41页共41页\n目录中文摘要……………………………………………………………3英文摘要……………………………………………………………4第1章绪论………………………………………………………81.1我国机器人研究现状…………………………………………81.2工业机器人概述……………………………………………81.3本论文研究的主要内容………………………………………9第2章机器人方案的创成和机械结构的设计………………102.1机器人机械设计的特点………………………………………102.2与机器人有关的概念………………………………………112.3方案设计…………………………………………………122.3.1方案要求…………………………………………122.3.2方案功能设计与分析………………………………132.4方案结构设计与分析……………………………………14第3章运动学分析………………………………………………153.1概述………………………………………………………153.2运动学分析………………………………………………153.2.1空间机构中两任意坐标系的变换关系……………………153.2.2在各运动关节上建立坐标系……………………………163.2.3确定各杆件的结构参数和运动变量………………………173.2.4写出相邻两构件坐标系间的位姿矩阵……………………173.3运用Matlab编程进行机械手的模拟运动…………………18第41页共41页\n3.4运动学方程的逆解…………………………………………203.3确定机械手的工作空间……………………………………22第4章机械手的建模与仿真…………………………………244.1机械手的总体设计…………………………………………244.11三维建模软件Pro/E的介绍………………………………244.12PRO/E建模……………………………………………244.2运用ADAMS对模型进行仿真………………………………314.21虚拟样机技术概述……………………………………314.2.2导入ADAMS仿真前的步骤………………………………324.2.3运用ADAMS对机械手进行仿真…………………………374.2.4用ADAMS仿真后处理………………………………39第5章总结………………………………………………40致谢…………………………………………………41参考文献………………………………………………………42附录：1、外文资料2、中文翻译另附：机械手装配图及机械手腕装配图第41页共41页\n第1章绪论1.1我国机器人研究现状机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的机械装置。机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国是从20世纪80年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有:哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993年研制的喷涂机器人，1995年完成的高压水切割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。我国目前拥有机器人4000台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。1.2工业机器人概述:在工业领域广泛应用着工业机器人。工业机器人一般指在工厂车间环境中，配合自动化生产的需要，代替人来完成材料或零件的搬运、加工、装配等操作的一种机器人。工业机器人的定义为:“一种自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。能搬运材料、零件或操持l具，用以完成各种作业。”操作机定义为:“具有和人的手臂相似的动作功能，可在空间抓放物体或进行其它操作的机械装置。”第41页共41页\n一个典型的机器人系统由本体、关节伺服驱动系统、计算机控制系统、传感系统、通讯接口等儿部分组成。一般多自由度串联机器人具有4～6个自由度，其中2～3个自由度决定了末端执行器在空间的位置，其余2～3个目由度决定了末端执行器在空间的姿态。1.3本论文研究的主要内容系统学习了机器人技术的知识，查阅了大量的文献资料，对国内外机器人、主要是工业机器人的现状有了比较详细的了解。在此基础上，结合作者本人的设想，和设计工作中需要解决的任务，主要进行以下几项工作:(1)调研收集分析有关资料，总结工业机器手机构工作特点；(2)工业机器手机构方案设计；(3)工业机器手运动学分析与仿真；(4)工业机器手动力学分析与仿真（利用机械系统动力学分析软件ADAMS对简化后的操作臂模型进行运动学仿真，对在机械设计中使用虚拟样机技术进行尝试和探索）。第41页共41页\n第2章机器人方案的创成和机械结构的设计2.1机器人机械设计的特点串联机器人机械设计与一般的机械设计相比，有很多不同之处。首先，从机构学的角度来看，机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节(或移动关节)连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动分析和静力分析复杂，两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩(或力)之间的关系等，都不是一般机构分析方法能解决得了的，需要建立一套针对空间开链机构的运动学、静力学方法。末端执行器的位置、速度、加速度和各个关节驱动力矩之间的关系是动力学分析的主要内容，在手臂开链结构中，每个关节的运动受到其它关节运动的影响，作用在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化，在高速情况下，还存在哥氏力和离心力的影响。因此，机器人是一个多输入多输出的、非线性、强藕合、位置时变的动力学系统，动力学分析十分复杂，因此，即使通过一定的简化，也需要使用不同于一般机构分析的专门分析方法。其次，由于开链机构相当于一系列悬臂杆件串联在一起，机械误差和弹性变形的累积使机器人的刚度和精度大受影响。因此在进行机器人机械设计时特别要注意刚度和精度设计。再次，机器人是典型的机电一体化产品，在进行结构设计时必须要考虑到驱动、控制等方面的问题，这和一般的机械产品设计是不同的。另外，与一般机械产品相比，机器人的机械设计在结构的紧凑性、灵巧性方面有更高的要求。2.2与机器人有关的概念以下是本文中涉及到的一些与机器人技术有关的概念。1、自自度:工业机器人一般都为多关节的空间机构，其运动副通常有移动副和转动副两种。相应地，以转动副相连的关节称为转动关节。以移动副相连的关节称为移动关节。在这些关节中，单独驱动的关节称为主动关节。主动关节的数目称为机器人的自由度。2机器人的分类第41页共41页\n机器人分类方法有多种。(1)按机器人的控制方法的不同，可分为点位控制型(PTP)，连续轨迹控制型(CP):(a)点位控制型(PointtoPointControl):机器人受控运动方式为自一个点位目标向另一个点位目标移动，只在目标点上完成操作。例如机器人在进行点焊时的轨迹控制。(b)连续轨迹控制型(ContinuousPathControl):机器人各关节同时做受控运动，使机器人末端执行器按预期轨迹和速度运动，为此各关节控制系统需要获得驱动机的角位移和角速度信号，如机器人进行焊缝为曲线的弧焊作业时的轨迹控制。(2)按机器人的结构分类，可分为四类:(a)直角坐标型:该型机器人前三个关节为移动关节，运动方向垂直，其控制方案与数控机床类似，各关节之间没有藕合，不会产生奇异状态，刚性好、精度高。缺点是占地面积大、工作空间小。(b)圆柱坐标型:该型机器人前三个关节为两个移动关节和一个转动关节，以θ，r，z:为坐标，位置函数为P=f(θ，r，z)，其中，r是手臂径向长度，z是垂直方向的位移，θ是手臂绕垂直轴的角位移。这种形式的机器人占用空间小，结构简单。(c)球坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。以θ，φ，y为坐标，位置函数为P=f(θ，φ，y)，该型机器人的优点是灵活性好，占地面积小，但刚度、精度较差。(d)关节坐标型:有垂直关节型和水平关节型(SCARA型)机器人。前三个关节都是回转关节，特点是动作灵活，工作空间大、占地面积小，缺点是刚度和精度较差。(3)按驱动方式分类:按驱动方式可分为:(a)气压驱动;(b)液压驱动;(。)电气驱动。电气驱动是20世纪90年代后机器人系统应用最多的驱动方式。它有结构简单、易于控制、使用方便、运动精度高、驱动效率高、不污染环境等优点。(4)按用途分类:可分为搬运机器人、喷涂机器人、焊接机器人、装配机器人、切削加工机器人和特种用途机器人等。第41页共41页\n2.3方案设计2.3.1方案要求如前所述，该机器人用于制造车间物流系统中工件的搬运、装夹和日常生活中的持物、看护等。能够固定在移动装置(如AGV)上，以实现灵活移动。要求动作灵活，工作范围大，被夹持物应具有多种姿态，自由度在5一6个，结构紧凑，重量轻。采用电动机驱动，设计负重为3公斤，手爪开合范围5mm～100mm。(1)基本工作要求：长时间工作后机械手本体不产生显著变形。(2)运动要求:机械手能把工件从位置1搬运到位置2，如图2-1所示图2-1(3)刚性要求：手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件时动作的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差则会引起手臂在垂直平面内的弯曲变形和水平面内的侧向扭转变形，手臂就要产生振动，或动作时工件卡死无法工作，为此在设计手臂时应让手臂具有足够的刚度。手腕和手臂的动作关系是：手臂的三个自由度是用来使工件（或工具）作上下、左右或前后往复移动和定位的，而手腕的三个自由度是用来调整该工件（或工具）的方向用的。2.3.2设计方案的确定（1）结构特征机械手具有6个自由度，属于PUMA560型机械手。第41页共41页\n机座采用落地式。手腕的动作虽不多，但它要求结构极其紧凑。在具有足够力量的情况下，重量尽可能要轻，为此采用连杆杠杆式手爪。（2）设计过程确定各机构的结构参数与运动参数→写出各尺寸间的运动关系→利用MATLAB编程进行简单的运动学仿真→求机械手的逆解→计算机械手的工作空间→运用Pro/E和ADAMS对机械手进行建模和仿真。机械手运动过程：手爪抓取工件→大臂抬起45°→小臂抬起45°→机座旋转180°→大臂下降45°→小臂下降45°→手爪放开工件。2.4方案结构设计与分析该机器人的本体组成如图2一5。图2一5机器人本体组成l底座部件;2腰部回转部件;3大臂部件;4小臂部件;5手腕部件。各部件组成和功能描述如下:(l)底座部件:第41页共41页\n底座部件包括底座、回转部件、传动部件和步进电机等。底座部件固定在自动引导车(AGV)上，支持整个操作机，步进电机固定在底座上，一级同步带传动将运动传递到腰部回转轴，伺时起到减速作用。(2)腰部回转部件:腰部回转部件包括腰部支架、回转轴、支架、谐波减速器和步进电机、制动器等。作用是支承大臂部件，并完成腰部回转运动。在腰部支上固定着驱动大臂俯仰和小臂俯仰的电机。(3)大臂部件:包括大臂和传动部件。(4)小臂部件:包括小臂、减速齿轮箱、传动部件、传动轴等，在小臂前端(靠近大臂的一端)固定驱动手腕三个运动的步进电机。(5)手腕部件:包括手腕壳体、传动齿轮和传动轴、机械接口等。第41页共41页\n第3章机械手的运动学分析3.1概述多自由度机器人是具有多个关节的空间机构，为了描述末端执行器在空间的位置和姿态，可以在每个关节上建立一个坐标系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位姿。建立坐标系的方法有多种。常用的有D一H法(四参数法)和五参数法及矩阵变换法等。D一H法(四参数法)是1955年由Denavit和Hartenberg提出的一种建立相对位姿的矩阵方法。它用齐次变换描述各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系，用一个4x4的齐次变换矩阵描述相临两连杆的空间关系，从而推导出“末端执行器坐标系”相对于“基坐标系”的等价齐次坐标变换矩阵，建立操作臂的运动方程。本文中使用D一H法来建立坐标系并推导该机器人的运动方程。3.2运动学分析3.2.1空间机构中两任意坐标系的变换关系空间机构中相邻两构件坐标系的变换如图3-1所示。在两构件上分别建立两右手直角坐标系和。固定在构件上的坐标系可以看成是固定在构件上的坐标系的原点沿轴移动的距离到达然后绕轴转动角，再沿轴移动距离到达原点，再绕轴转，得到新坐标系，即构件的位置和姿态。图3-1空间机构相邻两构件坐标系的变换第41页共41页\n如图可得到如下矢量关系由于式中各矢量分属不同的坐标系，引入变换矩阵，以便按同一坐标系进行运算。则有设坐标系变换到坐标系的坐标变换矩阵为，3.2.2在各运动关节上建立坐标系机械手由机座及六个活动杆件组成，具有六个旋转关节。所谓运动学方程就是确定六个活动杆件的构件坐标系向机座（或绝对）坐标系的齐次坐标变换。下面在各运动关节上建立坐标系，如图3-2所示。图3-2机械手机构示意图及其坐标系第41页共41页\n3.2.3确定各杆件的结构参数和运动变量各关节的运动变量都是绕轴的转角,分别用表示。将机构的结构参数和运动变量列于表3-1中，这里的是运动变量，其余为结构参数。表3-1机构的结构参数和运动变量构件编号0-10-11-20102-3013-40-14-5015-60103.2.4写出相邻两构件坐标系间的位姿矩阵设为构件和构件之间的齐次变换矩阵,利用公式（1），结合图3-2易得：第41页共41页\n3.3运用Matlab编程进行机械手的模拟运动由于在MATLAB中进行的只是简单的运动仿真，所以可将机械手简化成杠杆机构，如图3-3所示。图3-3第41页共41页\n为了编程方便，先建立各机构间的尺寸关系，设，则，。编写的程序分为六大块，分别为‘设定机构尺寸’、‘小臂上升45°’、‘大臂上升45°’、‘底座旋转180°’、‘大臂下降45°’和‘小臂下降45°’。图3-4为部分程序截图。图3-4程序的部分截图第41页共41页\n程序编完后，点击运行程序会出现图3-5所示对话框。图3-5运动仿真该图为构件的初始位置，手爪在位置1处（整个过程中手爪部始终与地面保持垂直），按回车后，小臂绕转动轴1旋转45°后抬起，再按回车，大臂绕转动轴2旋转45°后抬起，再按回车，腰部绕旋转中心逆时针旋转180°，再按回车，大臂绕转动轴2旋转45°后下降，再按回车，小臂绕转动轴2旋转45°后下降，这时手爪到达位置2。3.4运动学方程的逆解对运动学逆问题的求解方法，由式可知，当机器人末端执行器的位置和姿态给定时，等式左端的矩阵为已知，而等式右端则包含很多待求的运动参数，而根据两端矩阵的对应元素应相等，可得一组多变量的三角函数方程。求解这些运动参数，需解一组非线性超越函数方程。1求采用逆变法求解，将用到齐次变换矩阵的逆矩阵第41页共41页\n，将上式两端矩阵相乘。其中若令（即将原点移至，使其重合；以简化求解计算）则第四列的前三行元素的等式为（3-1）（3-2）（3-3）在矩阵12个对应元素等式中寻找到只含有一个待求运动参数的式3-3，作三角代换，令，，则有,,代入式3-3，有得：;,取。2求求得后，将式3-1和式3-2分别平方后相加并整理，得上式右端为已经量，将其整理成与式3-3类似的形式第41页共41页\n仿式3-3得，取。3求采用逆变换矩阵左乘等式的两端，得其中令,上式经矩阵连乘运算，得第四列的前三行元素等式为（3-4）（3-5）（3-6）将式3-4和式3-6联立求解,令，得，取。第41页共41页\n3.3确定机械手的工作空间根据国标中的规定，工作空间是指工业机器人正常运行时，手腕参考点能在空间活动的最大范围。故用作为所求工作空间的参考点，将六自由度机机械手工作空间的计算简化成三自由度机械手工作的计算。图3-6和图3-7为机械手在平面内的工作空间。图3-6工作空间图3-7工作空间图3-6是在平面内以为圆心，为半径的圆族所组成的扇形区域。图3-7是在平面内以为圆心，为半径的圆族所组成的扇形区域。当绕着轴在取值范围内转动，则形成了此机械手的工作空间，它是一个有一段开口的环行空间，其极限位置取决于的转角范围。第41页共41页\n第4章机械手的建模与仿真4.1机械手的总体设计根据第三章计算出的结果结合PUMA560型机器人的外观，运用Pro/E建立机械手各部分的模型，包括手腕、手臂、机座等等，然后在Pro/E里面新建一个组件将它们装配起来并保存，形成完整的机械手装配体。安装Pro/E和ADAMS专用接口模块Mechanism/Pro，打开保存的机械手装配体，运用Mechanism/Pro将装配体中的每个零件都设置成刚体，设置完成后给各关节创建运动副，加驱动（由于在Pro/E里面设置具体的运动参数比较麻烦，先设一任意值，导入ADAMS之后，在ADAMS里面修改）！在Mechanism/Pro菜单命令下保存，退出PRO/E。打开ADMAS，导入之前保存的文件，修改单位为MMKS制，修改每个MOTION的运动参数。修改完后进行仿真，并检查机械手的运动轨迹是否跟预想的一致，确定无误后，将仿真过程做成动画（AVI格式）4.11三维建模软件Pro/E的介绍Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。4.12PRO/E建模打开PRO/E→新建，类型选择‘零件’，子类型选择‘实体’，零件名自己命名，然后设置工作目录文件夹机械手，然后点击草绘工具命令，弹出如下图所示的对话框，点击FRONT平面作为草绘平面，使用默认草绘方向。点击草绘对话框，进入草绘工作状态后，开始零件建模。第41页共41页\n图4-1手抓图4-2摆动手腕图4-3旋转手腕第41页共41页\n图4-4机械手小臂图4-5机械手大臂图4-6转台第41页共41页\n图4-7机身图4-8基座图4-9基座盖第41页共41页\n图4-10螺栓图4-11螺母第41页共41页\n图4-12转轴1图4-13转轴2图4-14转轴3第41页共41页\n待所有零件模型建完后，再将这些零件装配。打启动Pro/ENGINEERWildfire后，单击图标工具栏中的【新建文件】图标，出现新建组件对话框。在【类型】栏中选择【组件】，在【子类型】栏中选择【设计】，【名称】采用默认名称，单击【确定】按钮。此时，在主窗口将出现3个基准平面（依次为ASM_FRONT、ASM_RIGHT和ASM_TOP平面）。从中选择并机械手的零件，将其打开在装配区。得其装配体如下图所示。图4-13机械手三维模型第41页共41页\n4.2运用ADAMS对模型进行仿真4.21虚拟样机技术概述虚拟样机技术(VirtualprototypingTeehnology)是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某一单一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，从而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。随着工业和经济的发展，制造业的竞争日趋激烈。工业产品的生产越来越向着多品种、小批量化发展，同时，对产品质量、生产时间提出了越来越高的要求。提高产品质量;降低产品成本:增加产品的科技含量、缩短研制、生产周期;灵活地应对市场的变化成了制造业竞争者们追求的目标和生存的途径。在传统的设计和制造过程中，一般的过程是首先概念设计而后方案论证，然后进行产品设计，在设计完成后，为了验证设计，通常要进行产品的试制。当通过试验发现设计缺陷时，再次修改设计并再次进行产品试制，通过反复地设计一试制一设计过程，才能达到目标要求。这一过程是冗长的，设计周期无法缩短，就不可能对市场进行灵活应对，同时，样机试制也增加了产品的成本，特别当用户对产品的需求产生小批化、个性化的要求时，将对企业造成重大的损失。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统设计和制造过程中的缺点的新技术。在虚拟样机技术中，设计人员直接利用计算机辅助设计(CAD)系统提供的零部件的物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统的运动，并对其在各种情况下的运动和受力情况进行分析，观察并实验各组成部件相互运动情况，并在计给币礼土反复地修改设计缺陷，仿真小同的设计方案，对整个系统不舒地进仃改进，直到获得最优的设一计方案后，在进行物理样机的试制。这样，能够缩短研发周期，尽量降低成本，避免不必要的损失。虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，同时紧密结合第41页共41页\n了三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，另外也.与计算机硬件、软件技术的发展程度密切相关，计算机硬件的性能对虚拟样机的分析计算、仿真的结果有着极大的影响和制约。虚拟杆机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商晶化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机已实现了商品化。目前有比较有影响的软件有美国机械动力学公司的ADAMS，比利时LMS公司的DADS，德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力学公司的DAMAS占据了市场的50%以上。可以说ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanical)程序是世界上应用最广泛的最具权威性的机械系统动力学仿真分析软件。4.2.2导入ADAMS仿真前的步骤先在proe将机械手的装配图保存（*x_t）文件形式，如下图图4-2-2-1保存副本按确定，→弹出：输出PARASOLID窗口，如下图图4-2-2-2输出按确定，就会有保存的文件为→打开adams-view弹出窗口如图4-2-2-3，在Modelname:写入jixieshoufangzhen,按ok第41页共41页\n图4-2-2-3改文件名→接下来是将在proe里建的三维模型导入到adams里，步骤如下：在adams-view-File-import：弹出一个窗口图4-2-2-4import点击import将弹出一个窗口：图4-2-2-5导入路径在FileType栏里找到需要的文件格式：Parasolid(*.xmt_txt,*.x_t,*.xmt_bin,*.x_b)，并选择好文件的路径，按ok，第41页共41页\n→导入到adams里的模型图4-2-2-5导入到adams里的模型→在adams里定义各个部件的质量，具体步骤如下：图4-2-2-6定义质量步骤1图4-2-2-7定义质量步骤2第41页共41页\n图4-2-2-7定义质量步骤3→设置转动副图4-2-2-8设置转动副第41页共41页\n→设置需要固定的部件图4-2-2-9设置固定→加驱动图4-2-2-10加驱动第41页共41页\n所有都设置好的模型图图4-2-2-11在adams里模型4.2.3运用ADAMS对机械手进行仿真图4-2-3-1ADAMS命令对话框点击图4-2-3-1中的按钮，图中Simulation一栏，EndTime值设为3（秒）,Steps值设为500。点击→，这个时候机械手就从位置1运动到位置2了。（4）将仿真过程做成动画在ADAMS主窗口下依次选择菜单下的Review→postprocessing（或者直接按F8）,进入postprocessins页面。在窗口左上角选择Animation，进入动画制作模式，然后在窗口右处黑色区域右击鼠标出现如图4-2-3-2所示对话框。第41页共41页\n图4-2-3-2加载模型图4-2-3-2动画制作选择LoadAnimation，机械手模型就会出现在窗口黑色区域中，如图4-2-3-2所示，将机械手调整到一个适合观察的角度，然后依次选择菜单中的File→SelectDirectory选取动画保存的文件夹。然后点击图中的红色R按钮，再点击图中的播放按纽开始录象，扫描2次就可以了。4.2.4用ADAMS仿真后处理在ADAMS主菜单下依次选择Review→Postprocessing（F8），弹出ADAMS/PostProcessor窗口，在该窗口下可对机械手进行运动学跟动力学的分析。第41页共41页\n运动分析在窗口左上角选择Plotting，选择窗口右下角‘DATA’标签，在标签下有几个地方可供用户选择。‘filter’一栏为分析对象，可选择零件、力或者铰链；‘Object’一栏是用来确定分析哪个零件的；‘Characteristic’一栏是用来确定分析的内容，如速度、加速度、角速度和角加速度等等；‘component’一栏是用来确定参考系的。都选种之后，点击‘AddCurves’，然后运动曲线图就出来了。图1为大臂的位置、速度和加速度在方向上随时间变化的曲线图。图1图2为大臂的角速度和角加速度在方向上以及动能随时间变化的曲线图。图2第41页共41页\n第5章总结本论文取得的结果在Pro/E中完成零件的三维造型和装配后，再将模型导入ADAMS中，从而克服了ADAMS三维造型能力差的缺点。三维装配模型导入ADAMS中后，能很好的对机械手进行运动学的分析。另外也可以对机械手进行静力学、动力学等方面的分析，观察其工作姿态，判断其运动方案的合理性，为对机器人的其他控制打下基础。此技术同样可以应用到工程机械、航天航空业、国防工业及机械制造等众多相关领域，能大大简化产品开发过程，缩短开发周期，减少开发费用和成本，提高产品质量。该设计可作进一步的改进，在ADAMS仿真一块可改变各铰链处驱动的运动函数实现机械手预期的轨迹运动。第41页共41页\n致谢本论文是在导师李滨城教授的悉心指导下完成的。老师对我们很关心，从论文选题到论文完成，导师渊博的学识、活跃的学术思想、对待研究的严谨态度和无私的奉献精神都是学生的楷模，使我受益，在论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和由衷的感谢。感谢学姐杨丹同学，她很耐心帮我分析我问题，给我讲解在adams里运动仿真要设置的相关细节问题。感谢老师和同学的帮助让我在大学四年的最后时间里学到了很多知识，从proe都不会到熟练的程度，学会了用adams仿真等，感觉这两个月过的很充实，忙中有乐。真心感谢关心我的同学们，送给你们最深的祝福！我也在努力的积蓄着力量，尽自己的微薄之力回报母校的培育之情，争取使自己的人生对社会产生些许积极的价值！第41页共41页\n参考文献[1]黄纯颖等.机械创新设计[M]。北京：高等教育出版社，2000.7[2]郭仁生.机械工程设计分析和Matlab应用[M]。北京：机械工业出版社，2006.8[3]周金萍等.MATLAB6实践与提高[M]。北京：中国电力出版社，2002.1[4]郑建荣.ADAMS虚拟样机技术入门与提高。北京：机械工业出版社，2002.1[5]徐应.机械设计手册[M]。北京：机械工业出版社，2000[6]张继春，杨建国.装配设计与运动仿真及Pro/E实现[M]。北京：国防工业出版社，2006.1[7]刘广瑞.机器人创新制作[M]。西安：西北工业大学出版社，2007.02[8]冯辛安，黄玉美。机械制造装备设计.机械工业出版社，1999.10[9]周伯英。工业机器人设计-机械工业出版社，1995[10]孙迪生，王炎。机器人控制技术.机械工业出版社，1998附录：1、外文资料2、中文翻译另附：机械手装配图及机械手腕装配图第41页共41页