基于Pro／E和ADAMS的机器人虚拟设计与仿真

2012 年西安理工大学研究生学术年会 基于基于 Pro E 和和 ADAMS 的机器人虚拟设计与仿真的机器人虚拟设计与仿真 摘要摘要 针对所设计的四自由度串联机器人结构和运动特点 以机器人的 D H 矩阵为理论 基础建立机器人的运动学方程 同时 用 Pro E 建立的机器人虚拟装配模型导入 ADAMS 中 通过设置相应的仿真环境 对机械手臂的工作域进行仿真 并给出机器人末端执 行器中心点 MARKER 74 的 x y 和 z 方向的位移 速度和加速度数据曲线图并进行测量 分析和评估 仿真结果表明 由机器人 4 个关节运动而引起的机器人末端位移 速度和加 速度曲线变化平稳 无突变现象 从而也验证了结构设计的合理性 为机器人控制系统的 优化设计提供了依据 关键词 关键词 机器人 虚拟样机 ADAMS 仿真 中图分类 TP241 2 Virtual Design and Simulation of A Robot Based On Pro E and ADAMS Huang Yumei Wang Caiping Faculty of Mechanical and Precision Instrument Engineering Xi an University of Technology Xi an 710048 China Abstract According to the structure and motion features of 4 DOF serial robots the equation of kinematics was built based 0nt he D H Matix and use Pro E established robot virtual assembly model into ADAMS By setting the simulation environment the displacement Velocity and acceleration data curves on x y and z direction of robot end actuator center MARKER 74 were given for measurement analysis and evaluation Simulation results showed that the displacement velocity and acceleration curves caused by the movements of robot s four joints changcd smoothly without impact which confirmed the reasonableness 0f structural design and provided tlle basis for robot control system Key words Robot Virtual prototype ADAMS Simulation 引言引言 随着计算机技术和加工制造业的飞速发展 机器人技术的发展速度越来越快 其智能化 程度越来越高 已经应用并扩展到经济发展的诸多领域 成为现代生产和高科技研究中的一 个不可或缺的组成部分 目前 随着机器人技术研究领域的不断发展 机器人计算机仿真系 统作为机器人设计和研究的灵活方便的工具 发挥着重要的作用 机器人计算机仿真系统在 机器人技术研究的许多方面都有应用 ADAMS 软件具有十分强大的运动学和动力学分析功能 但由于 ADAMS 的建模能力相对薄 弱 前处理模块中的几何建模功能不强 无法完成复杂模型的建模 因此降低了结构分析结果 的可信度 作者利用基于特征的参数化设计软件 Pro E 建立四自由度的机械手臂结构并赋 2012 年西安理工大学研究生学术年会 予与实际相应的各种属性 然后利用 Mechanism Pro 模块将虚拟样机模型导入到 ADAMS 环境 下 进行运动学仿真分析 并根据 D H 方法对其进行数学模型的建立 进行正向运动学和逆向 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 1 四自由度串联机器人的运动学模型四自由度串联机器人的运动学模型 1 l1 l 机器人关节结构机器人关节结构 本文基于装配搬运等作业中要求 1 四自由度机器人有两个轴线相互平行的旋转关节以实现平面内的灵活 定位 2 同时机器人还应有一个移动关节以实现在与平面垂直的方向上的移动 和定位 3 在装配搬运等作业中要求机器人的末端执行器抓住工件以后能够对工 件的方向状态进行调整因此在末端执行器上还应有一个旋转关节 因此 我们设计的机器人具有4 个自由度包括3 个旋转关节和1 个移动关 节 其结构方案图示意如图1所示 图1 机器人结构方案图 2012 年西安理工大学研究生学术年会 1 21 2 机器人运动学模型机器人运动学模型 串联机器人可以简化为由一系列连接在一起的连杆构成 图1为机器人连杆 的D H坐标系 表l为机器人的连杆参数 1 直线关节 2 大臂旋转关节 3 小臂旋转关节器旋转 4 腕关节 图2 机器人连杆D H坐标系 表1 四自由度机器人的连杆参数 1 31 3 机器人运动学分析机器人运动学分析 在用 D H 法建立了各杆件坐标系后 连杆坐标系 i 与 i 1 间的变换关系 可以用坐标系的旋转和平移来实现 显然 与这四个连杆参数有关 连杆变换 可以看成坐标系 i 经四个子变换得到的 这些子变换都是相对于动坐标系描述 0 0 0 001 0001 www www m w csX scY Z 3 232 11 3 232 2 112 mw mw mw XXa ca ca YYa sa s ZZdZd 2012 年西安理工大学研究生学术年会 的 按照 从左向右 原则 得到 1 11 i iiiii TRot xTrans x aRot zTrans z d 机器人各连杆的机构参数和运动参数如表 1 所示 用 4 4 的齐次变换来描 述各个连杆相对于固定参考系的空间几何关系 从而导出末端执行器坐标系相对 于参考系的等价齐次变换矩阵 最终建立机器人的运动学方程 即机器人的正解 分别由各个关节的变化量 旋转关节用 平移关节用 表示 式中 i Z 23 C 显然如果给定机器人各关节的变化量 可以得 23 cos 2323 sin S 出末端执行器最终在基准坐标系中的位置 即为机器人的正解 机器人逆运动学求解方法众多 一般分为两类 封闭解和数值解 由于对 同一机器人的运动学逆解有不同的解法 机器人运动学逆解问题在求解时还有 可能无解或存在多个解 2 四自由度串联机器人运动学仿真四自由度串联机器人运动学仿真 2 12 1 仿真模型的建立及施加约束仿真模型的建立及施加约束 设计的串联机器人具有3个转动关节 1个移动关节 各个关节的结构不规则 利 用ADAMS进行三维实体建模比较困难 因此文中借助三维软件Pro E进行建模 将模型转化为parasolid格式导人ADAMS中 由于虚拟样机的建立要尽可能地简 化 因此在满足仿真性能要求下 构件要尽可能的少 在Pro E中设计好的机器人装配图形文件导入ADAMS后 首先把该机器人的 支架与大地用固定副一的形式锁定 导轨与支架锁定 使得支架始终保持静止 状态 大臂 小臂 腕关节分别加上转动副 滑块与导轨间加上移动副 与手 爪末端固结的点MARKER 74 添加完各个关节的约束后 在ADAMS中驱动机器人 按照设定的函数开始仿真 2 32 3 机械手臂的工作域仿真机械手臂的工作域仿真 工作域是指机械手臂上的一个特定标记点能在空间的最大活动范围 工作 空间的形状和大小反映了机器人手臂工作能力的大小 它不随环境的变化而变化 故 机器人手臂的标记点选择机器人末端中心点 MARKER 74 通过设置相应的仿真 环境 对机械手臂的工作域进行仿真 在对机器人手臂进行运动仿真的时候 需要把手臂的自由度调整到 0 而在 仿真过程中 忽略了手爪的自转运动对运动轨迹的影响 但仍然需要对其转动副 添加电机驱动 Rotation jointmotion 选择转动的运动方式 Function tmi e 项中输入 0 使得关节在整个仿真过程中处于锁紧状态 手臂样机的模型总自 由度为 0 在机械手臂的运动过程中 对手爪的 Marker 点 标记点 进行轨迹描 绘即可完成手爪运动轨迹的跟踪和测绘 即可获得机械手臂在垂直面内如图 3 所 示的理论工作域 2012 年西安理工大学研究生学术年会 图3 机器人的工作轨迹图 2 32 3 三自由度机器人的运动仿真三自由度机器人的运动仿真 添加完各个关节的约束及其驱动函数后 在ADAMS中驱动机器人按照设定的 函数开始仿真 通过测量可得末端MARKER 74点的位移随时间的变化曲线如图 3 速度随时间的变化曲线如图4 加速度随时间的变化曲线如图5 图4 位移曲线 2012 年西安理工大学研究生学术年会 图5 速度曲线 图6 加速度曲线 从末端位移 速度 加速度随时间变化的曲线可以看出 随着串联机器人 运动的进行 各方向的曲线变化连续缓和 没有出现突变现象 说明机器人在 进行加工作业时 各关节 各活动部件运行平稳无任何冲击 从而保证了作业 的顺利进行 3 结论结论 利用Pro E软件强大的三维建模能力对四自由度机器人进行了模型的建立 并通过插 件Mechanism Pro对模型进行刚体定义 把模型导入ADAMS进行后续的约束和驱动添加 从而 获得机械手臂的虚拟样机 同时还建立了机械手臂的连杆坐标系和运动方程 并对虚拟样机 进行工作域的仿真 对末端标记点进行模拟实际作业情况的驱动 观察其机器人末端的速度 加速度 位移曲线 基于ADAMS的四自由度串联机器人运动学仿真为原理样机的结构设 2012 年西安理工大学研究生学术年会 计提供了理论依据 为以后的轨迹规划和运动控制 以及控制系统的优化设计奠定了基础 参考文献 l 霍伟 机器人动力学与控制 M 北京 高等教育出版社 2005 7 8 2 李增刚 ADAMS入门详解与实例 M 北京 国防工业出版社 2006 3 宋伟刚 机器人学 运动学 动力学与控制 M 北京 科学出版社 2007 60 61 4 冯辛安 黄玉