（机械设计及理论专业论文）基于lms+virtuallab的柔性并联机器人仿真平台开发.pdf

摘要 摘要 柔性并联机器人系统动力学是机械动力学研究领域的重要课题，其中动力学 分析是关键问题，仿真分析软件是研究柔性并联机器人的重要手段。而要完全重 新开发这样的仿真软件涉及的工作量非常大，因此充分利用已有的通用软件进行 二次开发是一种比较好的解决方案。国际著名的多体动力学仿真软件l m s v i r t u a l l a bm o t i o n 可以进行剐性机器人系统仿真，但在弹性分析方面的功能不强， 且没有用于分析柔性并联机器人的专业模块。 利用v i r t u a l 1 a b 软件对v b a 的支持及其处理机械系统弹性动力学问题的优 势，结合数据库技术、参数化建模原理和柔性并联机器人动力学仿真的特点，对 v i r t u a l 1 a b 软件进行二次开发，建立柔性并联机器人动力学仿真平台，本仿真平 台开发包括以下几个方面： 1 仿真平台总体框架设计。仿真平台基于空间并联机器人建模要求，专注于 柔性并联机器人的运动学、动力学仿真。总体设计框架基于虚拟样机思想，符合 通用建模逻辑。 2 建模管理数据库。利用a c c e s s 数据库技术与v i r t u a l 1 a b 宏语言结合记录模 型数据，满足在建模过程中对模型对象的准确引用，而且可以对以前的分析任务 进行更新。 3 支链生成工具。针对并联机器人的多支链、对称性等常见特点开发了具有 特色的支链生成工具，并可以对支链、杆件自动分组并完成在数据库支持下的管 理。 4 柔体中性文件生成工具。本文采用实体单元和梁单元两种方法对并联机器 人杆件进行模态分析，无需在进程外借助f e a 软件跨平台操作。 本文最后通过对比分析平面3 - r r r 柔性并联机器人本仿真平台和s a m c e f 的求解结果；对比分析空间3 - r s r 柔性并联机器人柔性支链实体单元法和梁单 元法的结果，从而验证了本仿真平台的可靠性。 关键词柔性；并联机器人；仿真；l m sv i r t u a l l a b a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed y n a m i co ff l e x i b l ep a r a l l e lr o b o ti sa ni m p o r t a n tt o p i ci nt h ef i e l do f m a c h i n e r yd y n a m i c s ，a n dt h ed y n a m i ca n a l y s i si st h ek e yp o i n t s i m u l a t i o ns o f t w a r e i sag r e a th e l pf o rf l e x i b l ep a r a l l e lr o b o tr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n b u ti tw i l l t a k eal o to ff i n a n c i a la n dm a n p o w e rt od e v e l o pt h i sk i n do fs o f t w a r ei fw ed e v e l o pa n e ws o f l w a r ec o m p l e t e l y i ti sag o o ds o l u t i o nt ou s eu n i v e r s a ls o f t w a r et oi m p l e m e n t t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eo ff l e x i b l er o b o t t h ef a m o u sm u l t i b o d yd y n a m i cs i m u l a t i o n s o f t - w a r e ，l m sv i r t u a l l a bm o t i o n ，i tm a yb eu s e df o rr i g i dr o b o t ss i m u l a t i o n b u ti t h a sn of u n c t i o no fe l a s t i ca n a l y s i sa n dn op r o f e s s i o n a lm o d u l e sf o rt h ea n a l y s i so f f l e x i b l ep a r a l l e lr o b o t u s i n gt h ev b as u p p o r tf o rl m sv i r t u a l 1 a ba n dt h ea d v a n t a g e si nd e a l i n gw i t h t h ei s s u eo ft h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no ff l e x i b l ep a r a l l e lr o b o t ，t h r o u g ht h e m e t h o db a s e do nd a t a b a s et e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r i z e dm o d e l i n gt h e o r ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fd y n a m i c ss i m u l a t i o no nf l e x i b l ep a r a l l e lr o b o t ，i tt e l l st h ec o u r s eo f d e v e l o p i n gas i m u l a t i o np l a t f o r mo nd y n a m i ca n a l y s i sb a s e do nv i r t u a l 1 a bi no r d e rt o s t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i co f d y n a m i c so nf l e x i b l ep a r a l l e lr o b o t t h ea s p e c t so f p l a t f o r m d e v e l o p m e n t a sf o l l o w s ： f i r s t ，s i m u l a t i o np l a t f o r mo v e r a l lf r a m e w o r kd e s i g n t h es i l n u l a t i o np l a t f o r m b a s e do nt h er e q u i r e m e n t sa b o u tm o d e l i n gs p a t i a lp a r a l l e lr o b o t ，f o c u s e do n k i n e m a t i c s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o na b o u tf l e x i b l ep a r a l l e lr o b o t t h ec o n f i g u r a t i o no f o v e r a l lf r a m e w o r kb a s e do ni d e o l o g yo fv i r t u a lp r o t o t y p e ，i tc o n s i s t e n tw i t ht h e g e n e r a ll o g i ci nm o d e l i n g s e c o n d ，m o d e l i n gm a n a g e m e n td a t a b a s e c o m b i n i n ga c c e s s d a t a b a s ew i t h v i r t u a l 1 a bm a c r ol a n g u a g et or e c o r dt h em o d e ld a t a , i tc a l ln o to n l ya c c u r a t e l yq u o t e t h eo b j e c to f m o d e li nm o d e l i n g , b u ta l s ou p d a t et h ep r e v i o u sa n a l y s i st a s k s t h i r d , b r a n c h e d - c h a i np r o d u c t i o nt o o l s t od e v e l o p m e n tt h eb r a n c h e d - c h a i n p r o d u c t i o nt o o l sa g a i n s tt h em u l t i ，s y m m e t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fp a r a l l e lr o b o t , t h e t o o l sc a ng r o u pt h eb r a n c h e d c h a i n sa n db a r sa u t o m a t i c a l l ya n dm a n a g et h e mb y d a t a b a s e f o u r t h ，f l e x i b l en e u t r a lf i l eg e n e r a t i o nt 0 0 1 i nt h i sa r t i c l em o d a lp a r a m e t e r so f p a r a l l e lb a r sc a nb ea n a l y z e du s i n gs o l i de l e m e n t sa n db e a me l e m e n t sw i t h o u t t h eh e l p o f f e as o f t w a r ei nt h eo u t s i d ep r o c e s so f c r o s s p l a t f o r mo p e r a t i o n f i n a l l y , b yc o m p a r i n gt h es o l u t i o no fp l a n a r3 - r r rf l e x i b l ep a r a l l e l r o b o t - - 北京t 业大学工学硕士学位论文 b e t w e e nt h es i m u l a t i o np l a t f o r ma n ds a m c e f ；b yc o m p a r i n gt h es o l u t i o no fs p a c e 3 - r s rp a r a l l e lf l e x i b l er o b o tb e t w e e nu s i n gs o l i de l e m e n ta n db e a me l e m e n tf o r f l e x i b l eb r a n c h e d c h a i n ，t h u sp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo f t h es i m u l a t i o np l a t f o r m k e y w o r d sf l e x i b i l i t y ；p a r a l l e lr o b o t ；s i m u l a t i o n ；l m sv i r t u a l l a b 1 i i 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 日期：掣2 ： 7 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部。 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：址导师签名： 篇1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 并联机构的构想最早可追溯到1 8 9 5 ，g o u g h 将并联机构用作轮胎测试装置， 自1 9 6 5 年德国s t e w a r t 将6 自由度并联机构用于飞行模拟器以来，这类机构在相 当长的一段时间内并未引起学术界和工程界的足够重视，1 9 7 8 年，澳大利亚著 名机构学教授h u n t 提出，可以应用六自由度的s t e w a r t 平台作为机器人枧构，并 联机器人的研究才受到许多学者的关注2 0 世纪8 0 代末特别是2 0 世纪9 0 年代以 来，并联机器人被广为关注，成为新的研究热点，开始张显其活跃的生命力【卜5 1 。 与串联机构相比刚度大、结构稳定、承载能力强、精度高、运动惯性小等优 点。所以众多研究机构和企业都在关注并联机器人的开发与研究，目前多种应用 并联机器人已经被开发出来。其应用领域涉及航空航天、医疗卫生、机床、定位 装置、娱乐、金属切割加工多、测量、微动机构等工，其它相关应用依然正在被 科研工作者不断拓宽。 随着产品轻型化的发展这一大趋势，这必将导致构件的柔性加大，并联机器 人构件的柔性已经不容忽视。而机械的高速化使惯性力急剧增大，将使机构的相 对柔性进一步增加。这使弹性变形引起的输出运动误差不能再被忽略，也使机构 动力学特性极大地恶化p “】。这样必然导致并联机器人微动精度的下降，而机构 的柔性却严重影响了机器人的性能。因此开展并联机器人在柔性领域的研究有重 要意义和应用价值。 目前即使在刚性并联机器人的研究上也还存在例如：正解困难反解容易；空 间建模还很有限；有效稳定算法的建立等问题。柔性并联机器人系统是一个多闭 环、刚体和柔体耦合的非线性动力学系统，其动力学建模和分析方法远比刚性并 联机器人和柔性串联机器人复杂。 鉴于柔性并联机器人的分析困难，在机器人仿真技术已经发展相当成熟的今 天，利用计算机仿真技术来解决这个问题不失为一种方便而有快捷的方法。多体 动力学仿真将机械系统建模成由一系列的刚体可以包含柔性体通过对相互之间 的运动迸行约束的关节连接而成的系统。现在随着仿真技术的发展，人们已经将 多体动力学仿真分析得到的动态负载用于随后的结构分析。应用虚拟仿真技术对 于建模精度要求非常高的并联机器人的研究是一种比较高效的途径。 目前商业性多体动力学软件都是一些普适、通用性的软件，这样在完成一项 仿真分析任务，就不得不从每一步基本的操作开始建立模型，模型重复利用性差。 为了方便、快捷地建立复杂的柔性并联机器人系统，有必要根据本研究的具体需 北京工业大学工学硕士学位论文 要、特色来建立适用的仿真系统，从而为分析验证柔性并联机器人的问题提供一 个平台。 但是如果从底层开始完成一个的动力学软件开发是不可取的，为了解决这个 问题在成熟的多柔体动力学软件能够提供良好的二次开发接口的今天也是没有 必要的。 基于上述原因，本课题对多体动力学软件l m sv i r t u a l 1 a b 进行二次开发，开 发出适合本专业领域研究的柔性并联机器人运动学动力学仿真系统，从而使柔性 并联机器人动力仿真从建模到仿真具有高度的自动化，具有更方便、快捷的特点。 使专业人员在从事分析仿真、建模时把大量精力放在建模本身。这样就可以快速 地对柔性并联机器人进行建模分析、减少大量重复性劳动、实现机器人机构优化 设计、规划出最优的运动轨迹，以及对其动力学、动力学特性的分析，观察构件 柔性对并联机器人动力学特性的影响。 本系统的开发不仅能满足研究人员对柔性并联机器人的仿真分析，还可以为 其它柔性机器人的仿真、求解带来方便。这种专用与普适性结合的开发研究对于 使跨学科人员对机器人进行运动分析，参与机器人的设计工作，从而使机器人研 究开发实现多学科合作提供一个有力的工具。 鉴于仿真平台的开发涉及柔性并联机器人的建模、国内外并联机器人仿真和 实验平台的开发与研究、机械动力学仿真软件，这些内容都是平台开发的基础和 出发点，所以有必要对这方面的文献进行深入地研究。 1 2 文献综述 1 2 1 柔性并联机器人动力学建模与分析 国内外学者对考虑构件弹性的并联机器人动力学问题也进行了研究。 s h a o c h iw a n g 等对具有柔性关节的6 - r t s 并联机器人的运动学和动力学问题进 行了研究，利用影响系数法推导了系统的加速度，通过虚功原理和l a g r a n g e 方 程建立了动力学模型f 1 2 1 。x i a o y u nw a n g 等提出了一种闭链柔性杆机构的子结构 动力学建模方法，应用l a g r a n g e 有限元方法和c r a i g b a m p t o n 理论建立了平面 3 - p r r 并联机构的动力学模型，分析了动平台的响应和连杆末端的振动【1 3 】。g p i r a s 利用有限元理论与k e d 方法研究了具有柔性杆的3 - p r r 平面并联机器人的 动力学问题，考虑了柔性杆的轴( 纵) 向和横向弹性以及线性驱动器( 滚珠丝杠) 的 轴向弹性，给出了第一阶模态固有频率随机器人位形的变化曲线【1 4 1 。仿真结果显 示，对给定的高速运动机构，位形对弹性振动影响显著，而几何刚度和动力学项 的影响很小。蔡胜利，余跃庆等运用k e d 方法建立了三自由度平面并联机器人 的弹性动力学方程，求解了给定输入运动时腿部各节点的弹性运动和动平台的输 第1 章绪论 出运动误型”】，并针对此机器人的残余振动问题，提出了冗余驱动法和输入运动 规划法6 】。黄真和方跃法提出了计算并联机器人操作器弹性位姿误差的虚功方 法，给出了构件的内力分布函数及其莫尔积分的计算公式1 1 7 。杜兆才，余跃庆等 运用k e d 方法和t i m o n s h e n k o 梁理论，提出了一种基于有限元理论的平面柔性 并联机器人动力学建模方法，分析了平面3 - r r r 柔性并联机器人杆件最大动应 力及出现位置的变化规律l l ”。姚建新等从并联型机器人的通用模型出发，推导出 完整形式的动力学模型，建立了基于弹性理论和有限元分析的运动弹性动力学 ( k e d ) 方程【l ”。罗继曼等利用有限单元法通过建立了新型3 - t p s 并联机器人的主 运动链各支链和平行机构中柔性杆的单元弹性动力学方程，得到了机构的总体弹 性动力学方程，通过实例分析了机构第一阶固有频率的分布1 2 0 。方跃法，黄真根 据并联机器人机构的特点，假设其中心平台为刚体，给出了各分支的弹性体与刚 体联接的位移协调条件和力平衡条件，建立了一般形式的六自由度并联机器入机 构的弹性动力学模型，并给出了数值实例【2 ”。张明辉，黄田采用k e d 方法建立 了3 自由度平面d i a m o n d 并联机械手的弹性动力模型，考虑了弹性单元和刚体 单元的相互协调，通过实验对该机构的固有频率进行了测试【矧。 1 2 2 并联机器人仿真和实验平台的开发与研究 目前国内一些高校和研究所在并联机器人建模和仿真的软件和实验系统的 研究与开发上取得了一定的进展。 清华大学的杨东超、汪劲松等应用a d a m s 软件建立了拟人机器人刚性模 型，并对其在运动学、动力学计算、仿真研究及优化设计等方面作了研究【2 3 】。 大连轻工业学院的李刚阳用v c + + 语言开发了6 s p s 并联机器人运动学 仿真软件，它可作为机器人控制软件的一个模块，在实际系统工作前预览运动过 程。论述了软件的系统结构，研究了三维图形显示的坐标变换问题及模型消隐问 题，并对机器人运动中可能出现的杆系干涉进行了分析和判断，保证了仿真软件的 模拟效果和实际系统一致【2 4 】。 哈尔滨工业大学机器人研究所用等效有限元的建模方法针对一种新型2 d o f 平面并联机器人系统的研究并做出了实验模型。 燕山大学信息科学与工程学院的孔令富，史庆周，崔凯提出了一个s t e w a r t 并 联机器人仿真系统，重点说明了其中对于并联机器人运动学仿真及控制系统仿真 中的系统构成和规划算法，最后给出了一个应用该系统进行s t e w a r t 并联机器人 仿真的例子，为s t e w a r t 并联机器人的研究提供了有效的仿真数据【2 5 】。 天津大学机械工程学院田冠男、黄田、李占贤、张大卫对一种命名为d i a m o n d 的二自由度高速、轻型新型并联机器人进行运动学分析，以此为基础，在基于i 北京工业大学工学硕士学位论文 d e a s 的软件平台上进行虚拟样机建造并对其进行可视化运动学仿真【2 ”。 郑州工程学院曹自洋介绍了o p e n g l 与w i n d o w s 图形接口的设置方法，在 建立了d e l t a 机器人数学模型的基础上，重点分析了d e l t a 机器人的运动学，并 给出了d e l t a 机器人运动学逆问题的详细数值解法，并利用此技术开发了d e l t a 并联机器人动态仿真软件【2 7 瑚】。 华中科技大学机械学院陶卫军自行设计的开放式三自由度并联机器人机构 实验平台的基本结构、运动控制和仿真作了较为全面的介绍，并着重分析了实验 平台的开放性【“。 以上是国内关于并联机器人仿真系统的开发情况，几乎全部的开发内容都集 中在平面刚性并联机器人的动力求解、运动仿真上以及控制仿真上，可以很好地 完成运动学正解、运动学反解、工作空间计算及运动速度误差分析等复杂的仿真 任务 舯”。但可惜的是几乎无一能在运动学仿真上有所涉及，对于柔性机器人 动力学仿真更是少之有少。 目前提供柔体动力学解决方案的动力学仿真软件在国外已经成熟，受仿真技 术及计算机技术发展的限制，国内此类软件尚未出现【3 2 q 7 l 。专用于柔性并联机 器人动力学的仿真软件也还没有被解决。 北京工业大学机器人实验室李论和梁浩【3 8 书1 应用a d a m s 和a n s y s 这两个 软件实现了平面柔性机器人建模和仿真。李论第一次将a d a m s 和a n s y s 结合， 发展专用的数据传输接口，推出一种新的动力学仿真手段一f l e x 体方法，实现 了从参数化建模到实时动力学分析的仿真过程自动化。并建立了柔性杆刚性关 节、刚性杆柔性关节和柔性杆柔性关节三种常用的仿真模型。其不足之处是没有 做成直观的界面，操作不方便，使用者需要熟悉a d a m s 和a n s y s 这两个软件。 二者的不足之处是只做了平面柔性机构的建模和仿真，对空间柔性建模和仿真没 有研究。另外，他们只实现了从a n s y s 到a d a m s 的数据传输，没有实现从 a d a m s 到a n s y s 的数据传输，因此未能实现将仿真后的载荷谱和位移谱传回 a n s y s 进行应力、应变分析。 陈新荣在a d a m s 和m a t l a b 这两个软件上二次开发，利用a d a m s 建立 机器人刚性模型，通过m a t l a b 施加控制，实现了控制仿真的自动化，并且做出 了直观的界面，操作简便【4 0 l 。 何茂根结合a n s y s 、a d a m s 、m a t l a b ，利用a n s y s 的a p d l 和u i d l 功能及其内部命令，编制建模程序；利用a d a m s 的原有柔性接口和m a t l a b 的控制功能，开发了柔性机器人控制仿真系统，实现了统一的界面，流程的自动 化，实现了a n s y s 建模到a d a m s 仿真、m a t l a b 控制的自动化。但他们只 是征对平面单机器人仿真，没有实现空间机器人仿真，多机器人协调操作仿真， 第1 章绪论 仿真后的应力应变分析及机器人的优化设计等【4 1 】。 陈晏结合l m sv i r t u a l 1 a b 与a n s y s 开发了柔性串联机器人机器人仿真系 统，仿真系统可以完成多种截面杆件的快速建模，但完成柔性中性文件的创建必 须在a n s y s 中重新建立相同物理几何参数的模型，进行跨平台的调用【4 2 1 。 总之，现在虽然在柔性机器人仿真系统的开发有了一定的探索。取得了一定 的成果，但都未能实现柔性并联机器人的快速建模，以及仿真后的应力应变分析、 频率响应分析、机器人优化设计、轨迹规划和空间柔性并联机器人仿真和多个机 器人协调仿真。 纵观这些方法，都没有柔性并联机器人动力学特性进行深入的研究，其建模 精度和方程求解通用性和求解效率不高。不能作为研究柔性并联机器人一般方 法。 1 2 3 机械动力学仿真软件 随着计算机技术的发展，应用于专业的仿真软件也纷纷出现。国际上先后出 现了像a d a m s 、d a d s 等大型的机械动力学仿真软件。不过目前应用于柔性机 器人的动力学仿真软件还很少见，对柔性机器人的动力学进行仿真通常是结合多 体动力学软件和有限元分析软件。下面就对一些与本课题研究内容密切相关的软 件情况进行介绍，如下介绍的软件都能完成柔体分析。 1 2 3 1l m sv i r m a l l a bm o f i o n ( d a d s ) d a d s 产品的全称是d y n a m i ca n a l y s i sa n dd e s i g ns y s t e m 是原美国c a d s i 公司于1 9 8 6 年正式推出的动力学仿真与分析软件。 l m sv i r t u a l l a b 采用了d a s s a u l ts y s t e m e s 的c a av 5 的基础框架【4 3 4 6 1 。具 有如下特点： 1 提供了一个功能强大的设计流程，使工程师能够在实物原型出现前相当 早的时间内即可进行关键的功能品质属性的设计和优化； 2 新版本中创新性技术大大加速了部件级和系统级虚拟模型的建立和分析； 3 为了加大虚拟仿真对关键开发过程的影响力度，l m sv i r t u a l l a br e v3 提供了新的专用模块，用于动力总成声学、动力总成动力学、车辆动力学、整车 n 、部件和系统级疲劳： 4 整合了试验设计( d e s i g no f e x p e r i m e n t s ) 、响应表面建模( r e s p o n s es u r f a c e m o d e l i n g ) 和先进的优化技术( a d v a n c e do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s ) 。这些功能可 使v i r t u a l ，l a b 的用户自动评估多个设计方案，使他们运用可靠的设计方法评估出 实际情况的变化产生的影响，以便开发出更安全、更优品质、性能更佳的产品； 5 增加了直接驱动a n s y s 的求解器进行计算。l m sv i r t u a l l a b 用户不仅 s 北京工业大学工学硕士学位论文 可以使用a n s y s 建模工具及其数据结果，还可使a n s y s 在v i r t u a l l a b 支持的 设计流程中成为其紧密集成的一部分。通过l m sv i r t u a l l a b ，用户还可以自动地 建立a n s y s 解决方案，并调用a n s y s 求解器。( 同样适用于n a s n 队n ) ； 3 l m sv i r t u a l l a b a c o u s t i c s 新版本提供了一个集成解决方案，用于减少辐 射噪声或在实物原型试验前对新设计方案的声音品质进行优化： 6 进一步扩展了对整车或飞机进行振动噪声分析的功能。它提供了新的子 结构综合技术，以建立系统模型进行振动预测； 7 为模拟机械系统实际运动及载荷提供了一个完整的集成解决方案。 8 提供了一个集成的仿真环境用于预测疲劳点和相应的疲劳寿命。 9 s y s t e m l e v e ld u r a b i l i t y 模块紧密集成了包括柔体分析的多体仿真和疲劳 寿命预测。 1 2 3 2 a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i so fm e c h a n i c a ls y s t e m ) a d a m s 是由原美国m d i ( m e c h a n i c a ld y n a m i c si n e ) 公司开发的集建模、求 解、可视化技术于一体的虚拟样机仿真软件，是目前世界上最具权威性、使用范 围最广的多体动力学仿真软件。使用这套软件可以产生复杂机械系统的虚拟样 机，真实地仿真其运动过程，并且可以迅速地分析和比较多种参数方案，直至获 得优化的工作性能，从而大大减少了昂贵的物理样机及试验次数，提高了产品设 计质量，大幅度地缩短产品研制周期和费用 a d a m s 软件具有如下特点1 4 7 - - 4 9 ： 1 利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。 2 分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力 学分析，包括刚体和柔性体分析。 3 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使求解快速、准确。 4 具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的 能力，提供多种“虚拟样机”方案。 5 具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。 6 具有开放式结构，允许用户集成自己的子程序。 7 自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线 图形。 8 可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限 元的输入载荷。 9 支持同大多数c a d 、f e a 和控制设计软件包之间的双向通讯。 第1 辛绪论 1 2 3 3s a m c e f s a m c e f 是总部位于比利时列贞( l i e g e ) 的s a m t e c h 公司的通用有限元 软件包，s a m t e c h 的产品包括通用的及专业的c a e 软件，它涵盖有限元仿 真分析的各个方面。2 0 0 5 年底，s a m t c h 公司推出的全新的前后处理平台 s a m c e f f i e l d 5 2 ，这个平台的功能得到了极大的完善，建模采用的纯c a d 风格的方 式，网格划分和边界条件的加载也非常简单易用。尤其是在多刚体，刚柔体耦 合运动学，动力学，转子动力学，断裂力学等方面有着很好的应用 s a m c e f 中包含的功能模块： 1 s a m c e ff i e l d ：新一代有限元前后处理器，是一个完整的综合前后处理环 境，其功能包括线性与非线性结构的建模及仿真，是c a d 到c a e 的连接桥梁。 2 s a m c e fl i n e a r ：用来执行热、结构的线性静态、线性动态、瞬态、谐 波响应和稳定性分析的通用有限元分析软件包， 3 s a m c e fm e c m l o ：用以解决非线性结构及力学问题的独特的综合软件。 该软件可以提供下列专业领域的具体分析： 1 ) s t r u c t u r eo p t i o n ；专注于解决非线性的静态和动态分析问题。所有的单元 都支持大位移和大转角；有关非线性材料的综合库也包含其中。 2 ) m o t i o no p t i o n ：专注于解决柔性装置的静态，运动学和动力学分析问题。 m o t i o no p t i o n 包含许多运动学的单元、传感器和激振器。控制系统同样被考虑 在内。 3 ) c a b l e o p t i o n ：专注于解决缆绳系统在电动力学和空气动力学影响下的分 析问题。 4 s a m c e ft h e r m a l ：非线性稳态和瞬态热分折，可以考虑传导、对流、辐 射的共同影响。 5 s a m c e fr o t o r ：针对转子动力学的专业解决方案，善于解决转子的动力 学问题，例如转子的涡动频率、临界转速、瞬态分析和谐波响应分析等。 6 s a m c e fi - i v s ：高压电缆设计和分析软件。 7 m e c a n oc a l b e 模块，柔性和刚性结构完全和交互的解决方案。 8 s a m c e fb o l t ：基于s a m c e fl i n e a r 和s a m c e fm e c a n o 的专业解决方 案。可以用来分析复合材料连接结构的失效问题。 9 s a m c e fm a c h i n et o o l s ：专注于机床工具设计，包括结构、机械运动、 控制器设计和分析。 l o e u r o p l e ) ( u s ：流体一结构系统在高速瞬态载荷作用下的非线性动力 分析通用有限元软件。包括：爆炸分析；研究射弹对结构的冲击；管道流体瞬 态动力分析；复杂流体一结构系统在意外情况下的安全性评估。 北京工业大学工学硕士学位论文 s a m c e f f i e l d 采用了c a d 风格的特征建模方式，但建模功能和v i r t u a l 1 a b 无缝 集成的c a t i a v 5 相比逊色很多，虽然与c a d 的接口也比较齐全，对于复杂曲面 的容错性能还是一定程度上限制的前处理的功能。 s a m c e f 可用b a c o n 命令流进行全部的计算流程，并能实现逻辑运算、循 环等功能。但不能在界面中逐行操作进行控制，需要将命令写入指定输入框后提 交计算。不如v i r t u a l 1 a b 宏语言操作灵活，所以在本文不选用s a m c e f 作为开 发对象，只作为验证仿真平台的可靠性的工具使用。 1 3 柔性并联机器人仿真平台开发的可行性分析 国外已成功开发一批机构动力学分析与设计通用软件，如l m sv i r t u a l 1 a b 、 a d a m s 、s a m c e f 、s i m p a c k 等，它们在诸如航空航天、汽车、工程机械等 领域的产品设计中发挥了巨大作用。但其对于分析柔性并联机器人动力学特性的 特殊要求专用性不强，分析过程冗烦。主要表现在： 1 缺乏针对并联机器人分析模型建立及通用分析方法的研究 2 这些软件往往缺乏与c a d 技术的无缝结合 3 解决构件弹性动力学问题需要f e a 软件支持，进行跨平台操作 通过上述对机械动力学仿真软件特点的论述，按解决刚柔耦合机械系统动力 学的问题上的特点将软件分类如下： 1 以柔性体为主要分析对象的有限元分析软件，具有代表性的软件有 n a s t r a n 、a n s y s 等知名的软件系统； 2 以刚性体为主要分析对象的运动学仿真分析软件，具有代表性的软件有 a d a m s 等软件系统。 3 柔性体和刚性体混合动力学仿真软件，具有代表性的软件有l m s v i r t u a l 1 a b ，s a m c e f 等软件系统 前两类软件的共同特点是解决只有柔性体模型或只有刚性体模型的动力学 或运动学问题，处理柔性体和刚性体混合模型的动力学或运动学问题比较烦琐。 a d a m s 软件仿真含有柔性体的结构运动时，需要先使用a n s y s 软件计算柔性 信息，并提供一个结果文件传递给a d a m s 进行仿真。这个过程非常繁琐，用户 需要掌握a d a m s 和a n s y s ，对用户来说很不方便。 s a m c e f 和l m sv i r t u a l 1 a b 可以直接处理柔性体和刚性体混合模型问题。 解决机械系统的机构和结构的非线性分析，包括：静态分析、运动分析和瞬态条 件分析 在理论基础上都大致相同，采用不独立的笛卡尔广义坐标，建立拉格朗日方 程组系统动力学方程。 第1 章绪论 在计算方法上v i r t u a l 1 a b 采用了广义坐标分离技术和预估一校正数值积分方 法求解上述方程组，且使用欧拉参数作广义坐标，避免了欧拉角数值奇异问题， 提高了计算效率。a d a m s 在计算方法上比较陈旧【妣5 2 1 ，动力学方程组庞大，计 算复杂系统的稳定性不高。 在开放性的比较上，v i r t u a l 1 a b 和a d a m s 都具有良好的二次开发接口， s a m c e f 不具有成熟开放的外部接口。 v i r t u a l 1 a b 采用了广义坐标分离技术和预估一校正数值积分方法求解上述方 程组，且使用欧拉参数作广义坐标，避免了欧拉角数值奇异问题，提高了计算效 率。 在分析功能对比上，a d a m s 和v i r t u a l 1 a b 都可进行运动学、静力学、动力 学分析外，v i r t u a l 1 a b 和s a m c e f 都可以进行逆动力学分析，兼顾运动学分析和动 力学分析二者的信息，由运动学分析决定位置、速度和加速度，这时动力学方程 是作用力的代数方程，这样就可方便地求出产生规定运动的反作用力。a d a m s 没有专门的逆动力学分析选项，只能可通过m o t i o n 等建模元素进一步开发实现 这一功能。 在模型通用性上，v i r t u a l 1 a b 具有与s a m c e f 和a d a m s 相比独具特色的地 方，其在不同求解任务和不同求解模块之间通用。 国内对机构分析与仿真通用软件系统的研究与开发仍相当薄弱，虽然做过一 些机构分析软件包，但很少涉及动力学及机构的柔性分析。 由于柔性并联机器人的主体结构是个多环机构，分支运动链的杆件均为柔性 杆，平台为刚体，柔性并联机器人属于刚柔耦合的复杂系统。开展计算机辅助分 析与仿真时沿袭传统的分析方法无法完成高效、高精度建模，鉴于并联机器人动 力学建模的复杂性以及在考虑柔性时的特殊性，必须提供一个专用的分析平台， 用户在该平台上只需要做一些简单的交互操作之后系统能自动地进行分析并以 各种方式显示分析结果，显然这种分析平台要具备强大的通用性、自动性、准确 性、有效性和稳定性。 v i r t u a l 1 a b 软件将柔体的概念引入到多刚体分析，提供了用于机械系统真实 运动和载荷仿真的完整解决方案，为并联柔性机器人动力学特性分析提供了方便 集成的环境。因此v i r t u a l 1 a b 成为为数不多的满足研究并联机器人柔性特性的软 件。 所以基于上述原因，在v i r t u a l 1 a b 成熟的动力学软件框架下二次开发用于仿 真柔性并联机器人动力学的专用平台是可行的。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 4 本文研究内容 本文基于l m sv i r t u a l 1 a b 对v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n ) 的支持，利 用v b s c r i p t 语言，开发出柔性并联机器人动力学仿真平台，实现高效快速地建立 高精度柔性并联机器人仿真模型，该平台具有专用的数据接口、统一的界面、自 动化建模、中性文件自动生成等特点。形成通用的柔性并联机器人动力学仿真系 统。具体内容如下： 1 根据软件工程的理论，对柔性机器人动力学仿真系统进行需求分析、可 行性分析、总体设计，建立系统的逻辑框架结构，为本系统的编程和单元测试、 综合测试、仿真系统维护作必要准备，并给出代码的开发说明 2 并联机器人柔性构件自动化生成系统的开发 在v r i m a l 1 a b 手动建立构件的实体模型，已经是完全参数化的，所以可以利 用参数化建模根据不同主特征和辅特征参数来实现柔性并联机器人不同构件的 三维参数化建模。为了满足并联机器人建模精度比较高的要求，有必要建立常用 机机器人的柔性构件生成系统，以便于在后面的柔性动力学分析中做好准备。柔 性构件库必须由参数化的几何模型库，材料库的支持和网格自动划分工具生成描 述柔性构件特征的模态数据。 这样就可以使我们从界面上轻松驱动模型库，不再需要一步步手动从草图来 驱动几何特征生成几何实体，更不用去操作复杂的网格划分软件来生成有限元文 件，既而方便地得到自己想要的柔性构件。提高了建模精度和速度，完全集成在 一个环境下的建模过程，还可以避免烦琐的文件传输和数据操作。 3 柔性支链生成系统开发 柔性并联机器人由柔性臂组成的多支链，多驱动的非线性机械系统，所以构 成系统的构件数目在与实现相同任务的串联机器人相比要多得多，这样就给建模 过程的工作量就会增大。 有些并联机器人的支链组成往往都是完全相同的，这样就没有必要重新建 模，可以重复利用支链提高效率。这样支链相当于构成并联机器人的子系统，实 现系统级的拼装无疑是解决并联机器人快速建模一种优越的思路。 4 通过平面3 - r r r 柔性并联机器人及空间3 - r s r 柔性并联机器人的仿真 分析来阐明柔性机器人仿真系统的有效性和优越性。 第2 章柔性并联机器人仿真平台的设计与开发 第2 章柔性并联机器人仿真平台的设计与开发 2 1 引言 l m sv i r t u a l l a bm o t i o n 可以对复杂机械系统性能进行准确高效的仿真，是 多体动力学仿真解决方案，基于l m sd a d s 求解器，出色的刚柔混合仿真性能 和高频求解能力。本章在l m sv i r t u a l l a b 软件的基础的进行二次开发，完成研 究课题的主要内容。 经过需求分析，本仿真平台应满足以下几个方面的性能： 1 刚性并联机器人的建模及其装配的自动化：用户通过点击自定义的工具 栏，然后在弹出的对话框中输入几何参数，就能够自动完成刚性并联机器人构件 及支链的建模和装配。 2 柔性机械臂，及其中性文件的自动生成：用户通过点击中性文件生成菜 单，平台会自动读取上一步骤建立的刚