毕业论文-三自由度冗余并联机器人的动态分析

三自由度冗余并联机器人的动态分析 I摘 要 随着生产力水平和科学技术的日益进步， 机器人在工业生产中的应用越来越广泛，而机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，是一项综合性的有实用价值的研究课题。 从冗余并联机器人动力学参数设计角度出发,利用动力学仿真分析软件ADAMS , 对机器人的位姿、 速度和加速度进行分析， 最终求取机器人关节驱动力矩的极限值。这为下一步研制冗余并联机器人的物理样机提供了理论指导,也为其他工业机器人的研究提供了参考。 关键词 ： 三自由度冗余并联机器人，运动学，动力学， ADAMS 三自由度冗余并联机器人的动态分析 IIAbstract With the development of productivity and technology the application of robot in industrial production is more and more extensive. Robot simulation is a very important content in the research of robot, and it is a comprehensive research subject of practical value. From the kinetic parameters of redundant parallel robot, by the use of dynamics simulation software ADAMS, thepose and velocity and acceleration were analyzed. Finally the drive torque limit of robot joint was obtained. It provided theoretical guidance for the next research of physical prototyping, a and also provided a reference for other industrial robot research. Keywords： 3-DOF Redundancy parallel robots, Kinematics， Dynamic, ADAMS 目 录 三自由度冗余并联机器人的动态分析 III第一章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 研究意义 . 2 1.3 发展概况 . 3 1.4 课题主要研究内容 . 5 第二章 三自由度冗余并联机器人的机构和三维造型 . 7 2.1 冗余并联机器人的机构组成及自由度 . 7 2.2 冗余并联机器人的基本规格 . 8 2.3 冗余并联机器人的实体建模 . 9 2.3.1 冗余并联机器人的零部件实体建模 .9 2.3.2 利用 UG 建立装配模型 .14 2.4 本章小结 . 15 第三章 基于 ADAMS 的冗余并联机器人运动学模拟及仿真 . 16 3.1 引言 . 16 3.2 冗余并联机器人的 ADAMS 模型 . 16 3.2.1 启动 ADAMS/VIEW .16 3.2.2 设置工作栅格 .18 3.2.3 几何体类型 .19 3.2.4 几何建模工具 .19 3.2.5 约束机构 .20 3.2.6 冗余并联机器人模型的导入 .22 3.3 GPM 并联机构几何参数 . 24 3.4 冗余并联机器人正向运动学 . 25 3.5 冗余并联机器人反向运动学 . 26 3.6 冗余并联机器人工作空间的确定 . 27 3.7 ADAMS 下的运动学仿真 . 28 3.7.1 仿真环境与流程简介 .28 3.7.2 仿真结果 .29 3.8 本章小结 . 31 三自由度冗余并联机器人的动态分析 IV第四章 基于 ADAMS 的冗余并联机器人动力学模拟 . 32 4.1 ADAMS 动力学仿真求解过程 . 32 4.2 动力学分析 . 33 4.2.1 冗余并联机器人机构模型主要参数 .33 4.2.2 建立计算机仿真模型 .34 4.2.3 仿真优化步骤 .36 4.3 本章小结 . 37 第五章 结论和展望 . 38 5.1 结论 . 38 5.2 技术经济分析报告 . 39 5.3 进一步研究的展望 . 39 参考文献 . 40 致谢 . 41 声明 . 42 三自由度冗余并联机器人的动态分析 1第一章 绪论 1.1 课题背景 随着科技的发展，机器人功能和性能的不断改善和提高，机器人的应用领域日益在扩大，其应用范围已不限于工业，还用于农业、林业、交通运输业、原子能工业、医疗、福利事业、海洋和深空探测等事业中。仿真技术是机器人研究领域中的一个重要部分。随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。 机械系统动力学仿真分析技术首次出现于 1980 年前后,作为一门新兴技术,它最初被应用在汽车、铁路等领域中1。Wonsan等以提高汽车的稳定性和控制能力为目标,进行汽车四轮定位系统研究。 由于此前研究都是采用简化模型,使用二维结构或以自行车代替,测得的数据很不可靠。 后来随着分析手段的提高,动力学仿真分析技术开始大量地应用于空间科学、石油、机器人等领域,NOEL通过在动力学分析软件中建立、分析和优化模型,得到了飞机起落架的动态性能。Arenz等针对goliath移动机器人模型,利用 ADAMS、ANSYS 和 MATLAB 三者联合进行了动力学分析,并针对 goliath 移动机器人控制算法进行研究,然后在动力学仿真软件中加以检验。虽然目前动力学仿真分析技术的应用较为广泛,但在关节型机器人的机构分析中的应用却很少。 由于仿真系统和实验目的的不同,应用动力学仿真技术的方法也有所区别。从机械系统这一角度出发,为研究系统的性能或改善系统结构,单独利用ADAMS软件即可以解决大部分问题。 机器人的研制、设计和试验过程中，理想的仿真应满足：建模简单快速、模型逼真、 机械仿真和控制系统相结合， 实现虚拟样机。 常见的动画仿真多采用 Turbo C, Visual Basic, Open GL,Fortran 等软件工具实现，算法复杂，编程工作量大。另外，机器人是多自由度、多连杆的空间机构，其运动学和动力学的计算非常重要且十分复杂，包括正解和反解的计算，常规的算法大多采用牛顿欧拉方程或者拉格朗日方程，工作量大，且容易出错。本课题希望在设计过程中能尽早地发现问题，及时优化，这一步的工作通常是在物理样机完成测试后进行的，从而造成效率低下和三自由度冗余并联机器人的动态分析 2不必要的浪费。 与串联机构相比，并联机构具有刚度大、定位精度高、对称性好、负载能力强等优点。冗余度机构的引入将有益于改善并联机构的刚度、定位精度、奇异、避障性能、动力学性能和载荷的合理分布，冗余并联机器人是由多个并行链构成的闭链运动系统，即末端执行器通过至少两个独立运动链与机座相连。冗余并联机器人结构上具有低惯量、大负载能力、高速高精度等优点，故它在精密仪器、现代机床、高速自动化生产线等领域有着广阔的应用前景2。 本研究主要利用 ADAMS的通用建模功能,结合固高G PM系列冗余并联机器人的特点, 应用机器人理论及机械系统动态仿真分析软件对三自由度冗余并联机器人进行动态仿真，对其运动空间、工作轨迹等进行研究，验证三自由度冗余并联机器人的工作过程轨迹及可达空间。 1.2 研究意义 仿真技术是机器人研究领域中的一个重要部分。 随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统作为机器人设计和研究过程中安全可靠、灵活方便的工具，发挥着越来越重要的作用。针对三自由度冗余并联机器人在实际空间中运动轨迹、运动的速度、力和力矩以及可达空间等具体问题,利用 ADAMS 软件对其进行动态仿真分析, 得到了三自由度冗余并联机器人在运动中的动力学和运动学的模拟仿真。本课题的研究为进一步机器人的实体开发提供可靠的数据，降低了开发的成本和失败的风险，为以后机器人在实际应用的范围提供了依据，并对机器人的结构设计以及机器人力学的研究具有一定的指导意义。 利用ADAMS软件对GPM系列冗余并联机器人进行动态分析， 是一般物理样机在设计开发前做的最为重要的环节。从经济学角度具有它独特的优越性： 降低工程制造和测试费用。 在产品制造出之前，就可以发现并更正设计错误，完善设计方案。 在产品开发过程中，减少所需的物理样机数量。 当进行物理样机测试有危险、费时和成本高时，可利用虚拟样机进行分析和仿真。 缩短产品的开发周期。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 31.3 发展概况 机器人虚拟样机技术是 20世纪 80年代发展起来的一项计算机辅助工程技术。 现在，成熟的机器人动力学仿真软件很少见，机器人运动学、动力学控制系统协同仿真的软件还没有。现在市场上应用最广泛的机械系统仿真软件是 ADAMS。下面对ADAMS软件进行简单介绍。 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软件有两种操作系统的版本： UNIX版和 Windows NT/2000版。在这里将以 Windows 2000版的 ADAMS l2.0为蓝本进行介绍。 2002年MDI公司被MSC公司兼并，同时发布了ADAMS12. 0版本。新的版本具有下列新的特性： 增强了柔性体高速缓存的控制，提供了阻尼表达式的界面支持，应力、应变的可视化、以及施加在柔性体上的模态力可视化（颜色等高线） ； 增强了载荷输出文件的选项，如FEA、物理测试、疲劳等文件格式，利用sit格式，可以对拉格朗日乘子进行误差控制，以获得更高的积分精度； 在积分器中新增修正的校正器；利用 Runge-Kuta-Fehlberg 45积分器，可提高三自由度冗余并联机器人的动态分析 4早期设计阶段的性能，再使用阻尼子程序控制柔性体的阻尼比； 在模态或频率的基础上，使用内部变量FXMODE和FXFREQ创建表达式，可屏蔽某一指定频率以上的所有模式的动态响应。 （1）利用ADAMS进行动态分析的应用领域 1.在农业机械手设计的应用 农业机械手作为番茄采摘机器 人的主要执行部件 ,其功能是将末端执行器移至果实位置。机构选型需根据作业要求确定机械手机构的自由度、组成型式、关节数目和配置方式 ,使机械手具有最优的工作空间、可操作度和避障空间等 ,从而使机器人能够根据上述信息 ,自主地决定机械手各关节的运动路径 ,避开障碍 ,使末端执行器到达目标番茄的位置附近。 机械手在运动采摘过程中主要研究机械手臂的运动学参数 ,运用 ADAMS可以很方便地求出各杆件之间的各种关系 ,包括空间位置关系、位移、速度和加速度关系等。通过仿真实验得到随着 原动件输入参数的变化 ,机械手在工作空间内的任何变量值 ,并可绘制出机械手某一个节点的工作轨迹。由机械手运动轨迹图可以看出 ,运动轨迹在各个截面内的变化均匀、梯度变化较小 ,满足机械手大范围作业的要求。由此 ,对于节点在执行运动采摘过程中运动任何时刻 ,节点处在空间中确定的位置 ,对于研究采摘过程中是否能够避障提供了可视的条件。 ADAMS仿真软件可以方便地仿真出番茄机械手采摘过程各机构的运动情况 ,能求出各机构的运动参数 ,并以图形的形式显示出来 ,可以进一步分析机械设计中的缺陷、不合理参数等 ,为整个机构优化确定设计变量 ,从而为快速、准确、方便地完成真实样机设计奠定基础。 2.在汽车制动方面的应用 现代汽车越来越多的采用各种制动力调节装置，以改善汽车的制动性能。 ADAMS 集建模、求解和可视化于一体的数字化虚拟样机技术，可以有效地将三维实体模型及应用有限元分析软件描述的零部件模型有机地结合起来， 准确地进行机械系统的各种模拟，以分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供依据。 ADAMS 功能日益完善，所提供的 ADAMS/Car、 ADAMS/Engine、ADAMS/Chassis、 ADAMS/Driveline、 ADAMS/Driver、 ADAMS/Tire、 Suspension Design 等汽车专业模块， 能够帮助汽车工程师快速创建高精度的 数化数字样机和汽车的运动学和动力学仿真模型，进行汽车的操纵稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性等整车性能仿真分析。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 5根据仿真结果再对制动器的零部件进行更改，以达到其理想的前、后轮制动力分配特性曲线，优化汽车制动系统。 （2）利用ADAMS对机器人进行动态分析的国内外发展现状 系统仿真技术是随着微电子分析器在1946年的诞生而迅速发展起来的新兴综合性学科。以相似原理、系统技术、信息技术及其应用领域相关专业知识和技术为基础，以计算机系统和各种相关的器件为工具，利用系统模型对实际存在的或是假想的系统进行动态研究的一门多学科的综合性技术。 随着系统仿真技术理论方法和应用技术研究的不断深入，计算机技术的突飞猛进，以及系统仿真本身具有的安全性、经济性等特点，应用计算机对系统进行仿真在科学技术领域中发挥着越来超重要的作用。需要特别指出的是，系统仿真使用系统模型代替实际系统来进行系统性能的分析和研究，因此使仿真更加具有意义。近些年来，随着计算机技术、网络技术、信号处理、通信技术、自动控制技术等高新技术的迅猛发展，系统仿真技术的研究力度也在不断加大，发展速度不断加快，应用领域不断扩大系统仿真技术的应用已经从早期的航空航天、武器制造和发电部门，扩展到今天的军事、通信、控制、机械、经济、社会、交通与生态研究等众多领域，而且已经渗透到系统的规划、设计、运行、分析及改造的各个阶段。 从计算机系统仿真技术的发展历程来看，它又经历了五个阶段： 20世纪40年代的模拟计算机仿真； 20世纪50年代的数值计算机仿真； 20世纪60年代的仿真语言的出现； 20世纪80年代的面向对象的仿真技术； 20世纪90年代的虚拟现实仿真技术和可视化的建模与仿真。 随着计算机技术的迅速发展和广泛应用，近20年来，国内外出现了许多专门用于计算机仿真的语言及软件工具，其中ADAMS就是其中之一。 1.4 课题主要研究内容 本课题主要用ADAMS对三自由度冗余并联机器人进行动态分析， 对其运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、极限位移点状态进行研究，验证三自由度冗余并联机器人的工作过程轨迹及可达空间，对近一步优化提出可行意见。 根据本课题的工作要求可以确定要研究的内容有以下几项: 三自由度冗余并联机器人的动态分析 6首先是三自由度冗余并联机器人机械结构的确定， 在对机器人进行三维实体建模所选用的是UG6.0三维造型软件，该软件功能强大，操作容易、使用方便、可动态修改的特点。 其次是在三维建模完成的前提下，将模型导入到ADAMS环境下, 进行运动学仿真分析, 并对正向运动学和逆向运动学分析, 利用仿真结果来验证所建立的机械手臂的运动方程。 在对三自由度冗余并联机器人进行仿真分析是我所选用的软件是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。 最后是对仿真分析得出的结果进行解读， 对不合适的地方进行改正,并反复试验的到与其的结果。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 7第二章 三自由度冗余并联机器人的机构和三维造型 2.1 冗余并联机器人的机构组成及自由度 并联机器人机构学问题属于空间多自由度多环机构学理论， 是随着对并联机器人的研究而发展起来的。 研究并联机器人机构学理论对研究和控制并联机器人有着特殊重要的意义。 并联机器人机构可以定义为:上下平台用两个或两个以上分支相连，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的机构称为并联机器人机构。但是从机构学的角度出发，只要是多自由度的，驱动器分别在不同的环路上的并联多环路机构都可以称之为并联机构4。一般说来，根据原动件的驱动方式可将并联机构的类型划分为三大类。 (1) 旋转驱动型( RotaryA ctuationt ype，简称RA型)； (2) 腿长可变型或称Stewart类型( VariableL egs l ength.简称VL型)； (3) 固定导向驱动型( FixedL ineara ctuationt ype，简称FL型)。 本文研究的GPM系列三自由度冗余并联机器人就属于旋转驱动型（RA型） 。 如图2-1和2-2所示，它包含电控箱、并联机构本体及由运动控制卡和相关软件组成的运动控制平台等三大部分。 图 2-1并联机构本体 三自由度冗余并联机器人的动态分析 8伺服点击及编码器采用松下交流伺服电机（绝对型编码器）；绝对编码器电源（位于面板底下3.6V锂电池）。 电控箱包含松下交流伺服驱动器，24V直流电源，断路器，接触器，按钮开关等。 2.2 冗余并联机器人的基本规格 项目 指标 结构形式 平面关节式 负载能力 1kg 运动精度（脉冲当量 /转） 819200 末端重复定位精度 0.05mm 定位精度 0.1mm 每轴最大运动范围 关节1 125 图 2-2 系列三自由度冗余并联机构 三自由度冗余并联机器人的动态分析 9关节2 128 关节3 125 每轴最大运动速度 3.14rad/S 2.3 冗余并联机器人的实体建模 构造虚拟样机必须进行机械零部件的三维实体造型。 三维实体模型的构筑对于虚拟样机的仿真和分析十分重要， 必须充分理解所构造的机械结构的各个零部件的外形以及他们之间的相对位置和装配关系， 在实体建模时严格按照实际的尺寸来进行，只有这样才能达到仿真时对可信度的要求。 三自由度冗余并联机器人是一个简单的机械结构，由一个底座，六个机械臂和一个笔架组成，首先建立基座模型，在UG6.0系统下打开新文件，选择mm单位，起一文件名，点 OK进入 UG界面，点击 进入零部件建模界面，点 进行草绘。 2.3.1 冗余并联机器人的零部件实体建模 对于刚性物体用ADAMS 建立运动学模型时， 不必过分追求构件几何形体的细节部分是否同实际完全一致，可以简化模型。因为从程序的求解原理来看，只要仿真构件的几何形体质量、质心位置，惯性矩和惯性积同实际构件相同，仿真结果便是等价的。也就是说，只需保证各个运动构件之间的相对尺寸正确就可以了。这样既可获得较满意的运动学仿真结果，又可节约大量的几何建模时间。在本机构中，底座、机械臂和笔架的实体模型已经应用UG6.0绘制完成（如下图2-39）。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 10图2-3 基准平面 图2-4 电机柱子 三自由度冗余并联机器人的动态分析 11图2-3 笔架头 图2-4 电机圆柱 三自由度冗余并联机器人的动态分析 12图2-5 机械大臂 图2-6 机械小臂 三自由度冗余并联机器人的动态分析 13图2-7 另一条机械大小臂 图2-8 第三条机械大小臂 三自由度冗余并联机器人的动态分析 14图2-9 机械笔 2.3.2 利用 UG 建立装配模型 经过零部件的实体建模完成，下一步就是对这些零件进行装配。在UG软件中，任何一个.prt文件都既可以作为零件文件，也可以作为装配文件，通常将.prt文件称为部件。当新建零件文件时，要选择下拉式菜单 Application中的 Modeling选项;新建装配文件时，要选择 Application中的 Assemblies选项。装配建模的具体过程如下: 1，选择下拉式菜单 Application中的 Assemblies选项后，在图形区域的下方就会出现装配工具条 2, 点击 Add Existing Component图标，向新打开的装配文件中添加第一个已三自由度冗余并联机器人的动态分析 15创建的零件模型； 3，重复第二步，向装配文件中添加第二个零件模型； 4，点击 Reposition Component图标，在进行装配操作前，先按正确的装配位置给第二个零件重新定位并隐藏不需要显示的曲线、草图、对称轴和坐标系等； 5，点击 Mate Component图标，选择正确的装配类型进行装配； 6，重复2，3，4，5步骤，直至将所有的零件装配完全。6 三自由度冗余并联机器人装配如图2-10所示： 图 2-10 三自由度冗余并联机器人装配 2.4 本章小结 本章节主要是介绍冗余并联机器人的结构和机构组成以及自由度的计算方法，以及各个零部件的基本规格，通过了解冗余并联机器人各个部件的动作范围、最大速度、允许扭矩以及安装环境等，进一步加深了本课题的研究意义，为后文冗余并联机器人的动态仿真的可信度以及正确性奠定了坚实的基础。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 16第三章 基于 ADAMS 的冗余并联机器人运动学模拟及仿真 3.1 引言 机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的函数进行分析研究，而不考虑引起这些运动的力和力矩。也就是要把机器人的空间位移解析地表示为时间的函数， 特别是要研究关节变量空间和机器人末端执行器位置和姿态之间的关系。机器人的运动学分析是机器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。在机器人控制中运动学分析占有非常重要的地位，直接涉及到离线编程、轨迹规划等问题。在位姿分析的基础之上，运用机械系统动力学仿真分析软件ADAMS对虚拟机械系统进行运动学分析，分别以时间和速度为变量进行仿真，得到了位移、速度和加速度的曲线。 3.2 冗余并联机器人的 ADAMS 模型 3.2.1 启动 ADAMS/VIEW 使用桌面的快捷键 ADAMS/View，或在 Windows XP的 Start菜单中，选择Program子菜单，再选择ADAMS 12.0 子菜单，然后选择 A view项，最后选择ADAMS-View 程序项，启动 ADAMS/View 程序。启动 ADAMS/View 程序后，首先出现欢迎对话框，如图3-1所示。在欢迎对话框中有4种相同的启动方式供用户选择： （1）产生新的样机模型数据库，选择 Create a new model项，可以产生一个新的样机模型及其数据库。选择本项后，程序在欢迎对话框中显示默认的新样机模型的文件格式、重力和单位的设置。如果需要改变默认值，可以相应的输入自定义的文件格式、重力和单位的设置。重力的设置有3种选择： 1） Earth Normal参数，表示设置大小为G的向下的重力加速度。 2） No Gravity参数，表示上设置重力加速度。 3） Other参数，表示设置根据用户的需要自行设置重力加速度。此时，选择OK 按钮以后， 将显示一个设置重力加速度对话框， 可以根据重力加速度对话框的提示，自定义重力加速度。在单位设置选择框中，设置了4种 ADAMS/VIEW预先设置好的单位系统， MMKS. MKS, CGS,IPS，供选择。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 17（2）打开已经保存的数据库存，选择 Open an existing database项，可以打开已经保存的样机数据库。此时，程序显示选择数据库文件选择对话框窗口，可以从中选择样机数据库文件，程序自动加载该数据库。 （3）输入 ADAMS 文件，选择 Import a file项，可以通过输入ADAMS/View命令文件或 ADAMS/Solver 数据文件的方式，建立一个新的模型。此时，程序显示选择ADAMS命令或文件对话窗口。从中选择有关文件，程序将自动加载该文件建立一个新的数据库。 （4）选择Exit项，退出 ADAMS/View 程序7。 图3-1 启动ADAMS/VIEW的主窗口 做本课题时要导入一个 UG6.0生成的 ADAMS文件，因而可以选择第三项，Gravity 选择 Earth Normal， Unite 选择 MMKS。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 183.2.2 设置工作栅格 通常， ADAMS/View 显示一个工作栅格平面，在此平面上绘制物体。同时，在绘制、移动和修改几何形体时，几何形体的实际尺寸将自动圆整到栅格上。除了工作栅格的尺寸和是否可以看见以外，还有以下4种显示方式可供选择： （1） Dorts 参数表示是否显示栅格的交点，同时也可以设置栅格交点的颜色和尺寸； （2） Axes 参数表示是否显示栅格的轴线，同时也可以设置栅格轴线的颜色和粗细； （3） Lines 参数表示是否显示栅格线，同时也可以设置栅格的颜色和粗细； （4） Triad 参数表示是否在工作栅格中心设置坐标图标。 设置工作栅格的方法如下： （1）在 Settings 菜单选择 Working Grid 命令，或者在主工具箱中的 Move工具集中，选择 Working Grid 工具。屏幕将显示工作栅格设置对话框，如图 3-2所示。 （2）在显示选定选择框，选择是否要显示工作栅格。 （ 3）选择栅格的类型，矩形（ Rectangular）或者极坐标（ Polar）。 （ 4）选择和输入平面的尺寸（ Size）、栅格的间距（ Spacing）。 （ 5）选择显示对象，及其颜色（ Color）和宽度（ Weight）。 （ 6）设置栅格平面的的位置和方向。在笛卡尔坐标系下，栅格平面的中心放置在视图窗口的中心，可以采用定义几个能过栅格平面点的方法。设置栅格平面的方向。 （ 7）选择 OK 按钮。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 19图 3-2 工作栅格设置对话框 在此次仿真分析过程中，可以通过主工具箱中的 Grid按钮，设置是否显示栅格平面。除 Size， X选 10000mm,Y选 10000 mm， Spacing， X选 100mm， Y选 100mm 外，其它各项选默认。 3.2.3 几何体类型 ADAMS/View可以产生4 种类型的几何体： 刚体、 柔性体、 点质量和地基形体。刚性形体的几何形状在任何时候都会发生变化， 在机械系统中将刚性形体称为刚性构件。刚性形体有质量惯性矩。在力的作用下，柔性形体会发生变形，同刚体形体类似，柔性形体也有质量和惯性距。在力的作用下，柔性形体会发生变形，同刚性形体类似，柔性形体也有质量和惯性距。点质量的体积为零，它仅有质量而没有惯性距。地基形体没有质量和速度，其自由度为零，在任何时候都保持静止。地基形体定义了地面坐标系的位置，在默认状态下，地基形体还是所有构件的速度和加速度的参考坐标。 3.2.4 几何建模工具 ADAMS/View 提供了丰富的几何建模工具库，调用几何建模工具通常有两种方法：在主工具箱的建模工具中选择工具图标，或者通过菜单选择几何建模工具命三自由度冗余并联机器人的动态分析 20令。 启动 ADAMS/View 后，程序关闭欢迎窗口，显示 ADAMS/View 主窗口。出现主工具箱，如图 3-3所示。主工具箱是最常用的命令输入方式之一。主工具箱上部12个图标是建模和仿真工具，下面的其它图标是视图工具。主工具箱的命令集有多层命令的子工具箱。如何使用不再赘述。 图3-3 ADAMS/View主工具箱 3.2.5 约束机构 在 ADAMS中的三维模型，可以通过各种约束限制构件之间的某些相对运动，并以此将上述构件连接起来组成一个机械系统。 ADAMS/View可以处理以下 4 种类型的约束。 （ 1）常用运动副约束，例如转动副，圆柱副等。 （ 2）指定约束方向，即：限制某个运动方向，例如限制一个构件总是沿着平行于另一个构件的方向运动。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 21（ 3）接触约束，定义两构件在运动中发生接触时，是怎样约束的。 （ 4） 约束运动， 例如： 规定一个构件遵循某个时间函数按指定的轨迹规律运动。ADAMS/View提供了 12 种常用的运动副约束，如图 3-4所示，它们分别是铰接幅、棱柱幅、圆柱幅、球形幅、平面幅、恒速幅、螺旋幅、固定幅、万向幅、凸轮幅、齿轮幅、关联幅。 图3-4 约束工具 运动副工具箱的施加方法如下： （ 1）连接工具集，如图 3-4所示，或者在连接对话框，选择连接工具图标。在此设置栏选择连接构件的方法，有如下 3种情况： 1）一个位置（ 1lcocation） 选择一个连接位置，由 ADAMS/View确定连接的构件。此时 ADAMS/View 自动选择最近所连接位置的构件进行连接。如果所先连接点附近只有一个构件，则该构件将与地面连接。 2） 2个构件 1个位置 （ 2bodies-1location）。选择需连接的两个构件和一个连接位置。此时，连 接件固定在构件 1（选择的构件上）构件 1相对构件 2而运动。 3） 2个构件 2个位置（ 2bodies-2location） 选择需连接的两个构件，以及这两个构件的连接点。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 22（ 2）选择连接方向，有两种方法： 1）栅格方向（ Normal to Grid）：当显示工作栅格时，连接方向垂直于栅格平面，否则，连接方向垂直于屏幕。 2）选取方向（ Pick Feature）：通过一个在栅格或屏幕平面内的方向矢量确定连接方向。 （ 3）屏幕底部状态的提示，依次选择互相连接的构件 1、构件 2、连接位置和方向等。 约束连接的相对运动有两种相对的连接运动：移动和转动。对于移动运动，ADAMS/View 沿构件 2的 Z轴约束构件 1的运动，对于转动运动，约束构件 1按右手规则绕构件 2的 Z轴旋转，要求构件 1的 Z轴必须始终同构件 2的 Z轴保持平行。当夹角为零时，构件 1的 X轴同构件 2的 X轴平行。约束连接的相对运动的方法如下： 1）在运动工具集成或连接对话框，选择约束移动工具图标 或约束转动运动工具图标 ； 2）在设置栏，输入速度值。 ADAMS/View 的默认值：旋转运动为 s/300，移动运动为 smm/10 ； 3）如果希望用函数表达式或自编子程序表示运动，可以将鼠标在 Speed 输入栏，按右键，从弹出的菜单中选择 Parameterize 项，再选择 Expression Builder 命令，此时显示函数输入对话框，利用函数输入对话框可以输入各种函数； 4）选择要定义的运动副，完成连接运动设置。 3.2.6 冗余并联机器人模型的导入 尽管 ADAMS软件中提供了三维几何建模的工具，但其功能较弱，对于复杂的三维模型需要花大量的时间来完成建模工作， 且不能保证模型的尺寸精度和装配位置精度。本文采用 UG4.0实体设计软件完成机械手虚拟样机三维实体建模工作，把建好的样机几何模型转换和导入到 ADAMS/View环境中， 而后在 ADAMS/View环境下对样机几何模型添加约束、载荷等，并进行仿真分析。 要将 UG中创建的三维实体模型导入到 ADAMS环境中， 两种软件必须具备相同的几何数据转换模块，先将 UG的数据转换成中性 (不依赖于 UG系统 )，然后将中性数据通过几何数据模块转换成 ADAMS数据。 对于 UG软件， 优先推荐 Parasolid格式。 UG与 Parasolid格式的转换 : （ 1）选择命令 File, Export, Parasolid，弹出输出 Parasolid对话框。 三自由度冗余并联机器人的动态分析 23（ 2）在输出 Parasolid文件对话框中选择 UG的版本，同时在图形窗口中选择构件的三维几何模型。 （ 3）单击 OK按钮，系统会打开一个创建文件文本框，输入新文件的名称，在提供的两种文件类型“ x_t”，和“ xmt_txt”，中选取一种合适的类型；本课题选择的是“ xmt_txt。 （ 4）单击 OK按钮，生成一个 Parasolid格式的图形文件。 Parasolid格式输入 ADAMS的步骤 : (1)在 File菜单中，选择 Import命令，也可以在进