adams虛擬樣機技術_第1頁
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文檔簡介

1、<p><b>  摘要</b></p><p>  虛擬樣機技術就是在建造第一臺物理樣機之前,設計師利用計算機技術建立機械系統(tǒng)的數字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設計方案的技術。</p><p>  ADAMS軟件是目前國際上應用最為廣泛的虛擬樣機分析軟件,用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)

2、進行靜力學、運動學和動力學分析。但針對復雜的機器人機械系統(tǒng),要想準確的控制其運動,僅依靠ADAMS軟件自身也很難做到;MATLAB軟是Mathworks公司開發(fā)的一種集計算、圖形可視化和編輯功能于一體的優(yōu)秀數學應用軟件,具有強大的計算能力,能夠建立復雜的控制模型準確控制復雜機器人系統(tǒng)的運動;OpenGL(開放式圖形庫全稱)是SGI公司開發(fā)的底層三維圖形API,目前在圖形開發(fā)領域已成為工業(yè)標準。使用OpenGL可以創(chuàng)建視覺質量接近射線跟蹤

3、程序的精致漂亮的3D圖形。Visual C++ 6.0已經成為集編輯、編譯。運行、調試為一體的功能強大的集成編程環(huán)境,在Windows編程中占有重要地位。OpenGL和Visual C++ 6.0有緊密接口,利用二者可以開發(fā)出優(yōu)秀的視鏡仿真系統(tǒng)。ADAMS、MATLAB和Visual C++ 6.0由于定位不同,都有各自的優(yōu)勢和缺點,但是三者之間又可以通過接口聯(lián)合控制或者混合編程。本文分別利用ADAMS對三自由度機器人的運動學和軌跡優(yōu)化

4、方案進行研究,利用V</p><p>  論文首先通過建立坐標系和矩陣變換,對剛體的空間表示進行了闡述,然后采用通用的D-H法則,將機器人關節(jié)角度參數化,推導出其正運動學方程和逆運動關節(jié)角,并計算出機器人手部的初始坐標。其次采用ADAMS軟件,詳細介紹了機器人三維建模過程,包括整體框架構建,單個構件繪圖和布爾運算等,并對機器人關節(jié)點進行了參數化設計。最后從機器人軌跡規(guī)劃的基本原理和方法出發(fā),比較分析了關節(jié)空間軌跡

5、規(guī)劃和直角坐標空間軌跡規(guī)劃的差別,并采用三次多項式和五次多項式對機器人進行了軌跡規(guī)劃,利用ADAMS軟件中內嵌的Step函數對運動軌跡進行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系統(tǒng)環(huán)境下,以Visuall C++6.0為開發(fā)工具,建立了三自由度機械手視景仿真系統(tǒng)模型,實現了仿真系統(tǒng)對MATLAB控制模型導出數據的讀取和利用。</p><p>  關鍵詞:運動學 軌跡規(guī)劃 ADAMS

6、虛擬樣機技術 視景仿真 紋理映射 </p><p><b>  Abstract</b></p><p>  Before manufacturing the first physical prototype, the designers used computer technology to build a mechanical system of digita

7、l model for analysis simulation, which showed that the system works in real conditions of the various characteristics, so as to be revised and Optimal design. This process is called Virtual prototyping technology. </p

8、><p>  Now ADAMS software is widely used in virtual prototyping analysis in the world, it is very convenient for the user to use this software ot do the statics, kinematics and dynamics analysis for the virtual

9、 machine system.But to the complicated robot mechanical system,it is also very hard to do the accurate control of its movement only rely on ADAMS software itself ;MATLAB is one of the outstanding mathematics application

10、software integrating calculation, graphical visualization and editing functio</p><p>  First of all, through the establishment of coordinates and matrix transformation, the rigid body of the space that was e

11、laborated, and then use the D-H rule, Robot parameters of the joint were gained, equations of motion were given, and the joints angle were known , initial coordinates of Robot hand can be calculated. Followed by ADAMS so

12、ftware, we processed details of the robot three-dimensional modeling, including the overall framework for building, mapped a single component and Boolean operat</p><p>  Key words: kinematics trajectory pla

13、nning ADAMS virtual prototyping technology Visual simulation Texture mapping </p><p><b>  第一章緒論</b></p><p>  1.1工業(yè)機器人的發(fā)展現狀</p><p>  1961年,美國的Consolided Control Corp和

14、AMF公司聯(lián)合制造了第一臺實用的示教再現型工業(yè)機器人,迄今為止,世界上對工業(yè)機器人的研究已經經歷了四十余年的歷程,日本、美國、法國、德國的機器人產業(yè)已日趨成熟和完善。工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成,是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量,提高生產效率改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分

15、重要的作用。</p><p>  采用工業(yè)機器人,不僅可提高產品的質量與產量,而且對保障人身安全,改善勞動環(huán)境,減輕勞動強度,提高勞動生產率,節(jié)約原材料消耗以及降低生產成本,有著十分重要的意義。和計算機、網絡技術一樣,工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產和生活方式。在制造業(yè)中,尤其是在汽車產業(yè)中,工業(yè)機器人得到了廣泛的應用。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機械加工、焊接、熱處理、表面涂覆、上下料、裝配

16、、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中,機器人都已逐步取代了人工作業(yè)。如,2004年德國汽車制造業(yè)中每1萬名工人中擁有工業(yè)機器人的數量為1140臺。</p><p>  在國外,工業(yè)機器人技術日趨成熟,已經成為一種標準設備被工業(yè)界廣泛應用。從而,相繼形成了一批具有影響力的、著名的工業(yè)機器人公司,它們包括:瑞典的ABB Robotics,日本的FANUC、Yaskawa,德國的KUKA Roboter,美國的Adept Tech

17、nology、American Robot、意大利COMAU,英國的AutoTech Robotics公司,這些公司已經成為其所在地區(qū)的支柱性產業(yè)。</p><p>  在我國,工業(yè)機器人的真正使用到現在已經接近20多年了,已經基本實現了試驗、引進到自主開發(fā)的轉變,促進了我國制造業(yè)、勘探業(yè)等行業(yè)的發(fā)展。2004年全年國產工業(yè)機器人數量(主要指在國內生產和組裝的)突破1400臺,產值突破8億元人民幣。進口機器人數量

18、超過9000臺,進口額達到2.6億美元。國內各個工業(yè)機器人廠家都呈現出產銷兩旺的局面。截至2004年底,我國工業(yè)機器人市場已經突破30億元人民幣?,F階段,我國工業(yè)機器人正逐步發(fā)展成為一種有影響力的產業(yè)。</p><p>  1.2虛擬樣機技術簡介</p><p>  1.2.1虛擬樣機的定義和特點</p><p>  虛擬樣機技術就是在建造第一臺物理樣機之前,設計師

19、利用計算機技術建立機械系統(tǒng)的數字化模型,進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性,從而修改并得到最優(yōu)設計方案的技術。該技術以機械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心,加上成熟的三維計算機圖形技術和基于圖形的用戶界面技術,將分散的零部件設計和分析技術集成在一起,提供一個全新研發(fā)機械產品的設計方法。它是一種計算機模型,它能夠反映實際產品的特性,包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性。借助于這項技術,設計師可以在計算機上

20、建立機械系統(tǒng)的模型,伴之以三維可視化處理,模擬在真實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性,并根據仿真結果精化和優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機技術利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式地探索虛擬物體的功能,對產品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎上,把虛擬技術與仿真方法相結合,為產品的研發(fā)提供了一個全新的設計方法。它具有以下特點:</p><p><b>  A 全新的研發(fā)模式</b

21、></p><p>  虛擬樣機技術實現了系統(tǒng)性的產品優(yōu)化,使產品在概念設計階段就可以迅速地分析、比較多種設計方案,確定影響性能的敏感參數,并通過可視化技術設計產品、預測產品在真實工況下的特征,從而獲得最優(yōu)工作性能。</p><p>  B 研發(fā)成本低、周期短、產品質量高</p><p>  通過計算機技術建立產品的數字化模型,可以完成無數次物理樣機無法進行的

22、虛擬試驗,不但減少了物理樣機的數量,降低了成本,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產品質量。</p><p><b>  C 實現了動態(tài)聯(lián)盟</b></p><p>  廣泛地采用動態(tài)聯(lián)盟, 通過Internet共享和交流,臨時締結成的一種虛擬企業(yè),適應了快速變化的全球市場,克服單個企業(yè)資源的局限性。</p><p>  1.2.2研究現狀和發(fā)展趨勢&

23、lt;/p><p>  虛擬樣機技術在一些較發(fā)達國家,如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用,應用領域從汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、到醫(yī)學以及工程咨詢等很多方面。</p><p>  美國航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)研制的火星探測器“探路號”,就是JPL工程師利用虛擬樣機技術仿真研究研發(fā)的。美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首架以無圖方式研發(fā)及制造的飛機,其設計、

24、裝配、性能評價及分析就是采用了虛擬樣機技術,不但縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本,而且確保了最終產品一次接裝成功。</p><p>  我國從“九五”期間開始跟蹤和研究虛擬樣機的相關技術,主要研究集中在虛擬樣機的概念、系統(tǒng)結構以及相關的支撐技術,應用多集中在一些高精尖領域。近年來,才嘗試著將虛擬樣機技術用于一般機械的開發(fā)研制。天津大學與河北工業(yè)大學采用虛擬樣機技術聯(lián)合開發(fā)了沖擊式壓實機,對其進行了仿真計算,得到各部

25、件的運動規(guī)律曲線,驗證了壓實機各部件參數值的合理性。</p><p>  虛擬樣機概念正向廣度和深度發(fā)展,今后的虛擬樣機技術將更加強調部件、技術、知識的重用,強調便于虛擬樣機柔性協(xié)同的運行管理的組織重構,強調跨領域技術的溝通支持,重點在以下幾個方面進行研究:</p><p>  (1)基于虛擬樣機的優(yōu)化設計;</p><p> ?。?)以虛擬樣機為中心的并行設計設計

26、;</p><p> ?。?)分析和仿真工具的集成;</p><p> ?。?)虛擬樣機系統(tǒng)的容錯性研究。</p><p>  1.3視景仿真技術簡介</p><p>  1.3.1視景仿真的定義和特點</p><p>  視景仿真又稱虛擬仿真虛擬現實仿真。它是21世紀最有前景的高科技技術之一,它是計算機技術,圖形圖象

27、技術,光學技術,控制技術等多種高科技的結合,是延伸人類感覺器官的一門科學,通過對現實世界或者是人類想象的虛擬世界進行三維建模并實時驅動,通過頭盔顯示器或者三維投影技術顯示出來。</p><p>  視景仿真(Visual Simulation)是一種基于可計算信息的沉浸式交互環(huán)境,具體地說,就是采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境,用戶借助必要的設備以自然的方式與虛擬

28、環(huán)境中的對象進行交互作 用、相互影響,從而產生“沉浸”于等同真實環(huán)境的感受和體驗。其作為計算機技術中最為前沿的應用領域之一,它已經廣泛應用于虛擬現實、模擬駕駛、場景再現、城市規(guī)劃及其它應用領域。計算機仿真又稱全數字仿真,是根據相似原理,利用計算機來逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對象,將研究對象進行數學描述,建模編程,并且在計算機中運行實現.作為計算機仿真的組成部分,視景仿真采用計算機圖形圖像技術,根據仿真的目的.構造仿真對象的三維模型并再現真

29、實的環(huán)境,達到非常逼真的仿真效果.目前,視景仿真技術在我國已廣泛應用于各種研究領域:軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓練以及交互式娛樂仿真等.視景仿真技術對作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實時顯示,給人以強烈的視覺上的沖擊,對提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用</p><p>  1.3.2工業(yè)機器人視景仿真系統(tǒng)研究的意義</p><p>  由于機器人價格昂

30、貴,以及機器人的作業(yè)空間需要較大而獨立的試驗場地等諸多原因,不可能達到每個需要學習機器人的人都能親自操作機器人的要求。而可視化技術的出現,使得人們能夠在三維圖形世界中觀察機器人,并通過計算機交互式對機器人進行示教仿真。基于VC++6.0的OpenGL上的工業(yè)機器人的視景仿真系統(tǒng)可以提供一個真實的實驗平臺,在不接觸實際機器人及其工作環(huán)境的情況下,通過圖形技術,提供一個和機器人進行交互的虛擬環(huán)境。此系統(tǒng)充分利用OpenGL的實時交互性,模擬

31、工業(yè)機器人的示教/再現過程,可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)機器人的程序并動態(tài)模擬工業(yè)機器人的運動過程,觀察工業(yè)機器人的運動結果,檢驗所編寫工業(yè)機器人程序的正確性。進行實物實驗之前,可以先在仿真系統(tǒng)上進行模擬仿真,觀察實驗的運動過程以及運動結果,避免直接在現實中操作對工業(yè)機器人及周圍物體可能造成的傷害。另外,對于剛接觸工業(yè)機器人的操作員來說,此系統(tǒng)可以提供與現實工業(yè)機器人幾乎相同的操作步驟,在操作員真正操作工業(yè)機器人之前,可以增加其操作的熟練程度

32、,增加安全系數。</p><p>  1.4本文要研究的主要內容</p><p>  為了簡化研究,本文采用一個3自由度關節(jié)機器人,分別通過ADAMS軟件的建模和仿真,結合MATLAB的運算功能,進行了機器人運動學分析和空間坐標的軌跡規(guī)劃,實現運動軌跡的最優(yōu)化。又在Windows XP環(huán)境下,利用Visual C++6.0和OpenGL完成了基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設計與實現,具體工作如下

33、:</p><p> ?。?)進行運動學分析。按照通用的D-H法則,通過矩陣變換,得到了機器人的正運動學方程和初始坐標,推導出機器人逆運動學的關節(jié)角度。</p><p> ?。?)在ADAMS/View中構造機器人部件,運用約束庫中的移動和旋轉副對部件進行鏈接,添加驅動力,實現機器人的運動,完成三維建模。</p><p> ?。?)對機器人的運行軌跡進行多項式優(yōu)化,

34、利用ADAMS/View的仿真和后處理模塊,繪制小臂末端處所取點的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲線,結合曲線進行三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃的仿真分析,并進行比較分析。</p><p>  (4)利用Visual C++6.0和OpenGL導入并建立機械手模型,建立仿真場景,實現基于模型數據的運動仿真,并實現視角的交互式鍵盤控制。</p><p>  第三章基于ADAMS的機器人

35、的虛擬樣機分析</p><p>  3.1 ADAMS概述</p><p>  美國MSC.Software公司在2003年3月收購了全球最大機構的仿真軟件、咨詢服務、系統(tǒng)集成供應商MDI/ADAMS。MSC.Software公司的ADAMS軟件是虛擬樣機領域內廣泛使用的軟件,可以使工程師、設計人員能夠在物理樣機構造前,建立機械系統(tǒng)的“模擬樣機”,預估出機器的工作性能。ADAMS軟件具有如

36、下特點:</p><p> ?。?)分析類型包括運動學、靜力學分析以及線性和非線性動力學分析</p><p> ?。?)具有二維和三維建模能力</p><p>  (3)具有50余種聯(lián)結副、力和發(fā)生器組成的庫和強大的函數庫</p><p>  (4)具有組裝、分析和動態(tài)顯示模型的功能,包含剛體和柔體分析</p><p>

37、;  (5)具有與CAD、UG、Pro/E、Matlab、ANSYS等軟件的專用接口</p><p> ?。?)具有開放式結構,允許用戶集成自己的子程序</p><p>  基于ADAMS的虛擬樣機技術是在制造物理樣機前,利用計算機技術建立該產品的數學模型,通過基于實體的可視化仿真分析,模擬該系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中的運動學和動力學特性,并反復修改設計,從而得到最優(yōu)方案。</p>

38、<p><b>  A 創(chuàng)建模型</b></p><p>  創(chuàng)建機械系統(tǒng)模型時,首先要創(chuàng)建構成模型的各個零部件。零部件創(chuàng)建完后,需要使用運動關節(jié)約束庫創(chuàng)建零部件之間的約束副,確定部件之間的連接情況以及仿真過程中構件之間的位置關系。最后,施加運動及各種載荷使樣機按照設計要求進行仿真。</p><p>  B 測試驗證模型并細化</p><

39、;p>  模型創(chuàng)建過程中和完成后,都可以對模型進行運動仿真測試。通過對模型的性能測試,驗證設計方案的正確性,然后,在模型中增加更復雜的因素,進一步細化模型。為便于不同方案的比較,通過設計變量不同取值的迭代仿真,求出設計變量的最優(yōu)值。</p><p><b>  C 優(yōu)化設計</b></p><p>  采用設計和優(yōu)化分析的研究手段,確定各個設計變量相對于解算結果

40、的靈敏度并最終確定目標函數的最優(yōu)值。</p><p>  3.2 ADAMS中機器人模型的建立</p><p>  本文機械手模型參考了PUMA機器人的結構,建模過程中依照模塊化的思想先繪制各個部件,然后通過布爾運算和參數的調整,完成建模。</p><p>  3.2.1設置建模環(huán)境</p><p>  打開ADAMS/View,選擇創(chuàng)建新模

41、型,將機械手模型命名為model_2jixieshou,其他采用系統(tǒng)默認值,進入建模界面。</p><p>  在建模界面中,首先要設定工作柵格,點擊菜單Settings中的Working Gird.如圖3-1所示,根據建模需要,柵格范圍設置為1000×1000(mm),大小為50×50(mm)。</p><p>  圖3-1 工作柵格設置</p><

42、;p>  設置完工作柵格就可以開始建模。</p><p>  3.2.2機器人實體建模</p><p>  ADAMS/View中集成了很多圖形模板,包括點,線,面,體各方面。我們構建的是機器人的三維立體模型,其主要部件都是剛體。ADAMS中的剛體模板包括圓柱,圓錐,長方體,球體,拉伸體,平板等。我們選擇圓柱體(圓盤)作為機器人的底座,圓柱體作為機器人的腰部,拉伸體作為機器人的手臂。

43、在建模過程中,作者一直根據模塊化的原則,在建立每一個部件的過程中都同時通過布爾運算等對模塊進行優(yōu)化,很好的美化了模型,并且是模型更加合理。這種工作方法為最后的總裝提供和很大的便利和好處,節(jié)省了很多時間,提高了工作效率,值得在其他工作中借鑒。由于建模過程主要是ADAMS軟件的操作過程,如果對ADAMS比較熟悉這個過程就很簡單。本文不再對建模過程做詳細介紹。</p><p>  3.2.3機器人模型的設置</p

44、><p>  機器人實體模型建好以后,應對其屬性進行修改。我們設計用的機器人材料為鋁材,初始位移為各個點的初始位置,初始速度設置為零。選定材料后,物體的密度就自動確定了,同時系統(tǒng)會自動計算構件的質量。然后對關節(jié)添加相應的約束和驅動力。如果我們要模擬某些特殊的工作過程,我們還應該在相應的位置處添加力和力矩。如我們模擬提升物體的操作過程,那么我們就在小臂(PART6)的端部PART6_MARKER_6處添加一個大小為10

45、N方向向下的力。完成這個設置后機器人的模型如下圖3-3所示:</p><p>  圖3-3 機器人最終模型</p><p>  至此,我們已經完成了三自由度機器人的建模過程,通過軟件自檢功能,可以判定模型正確與否,建模完成以后就可以進行運動學仿真分析。</p><p>  3.3軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>  完成建模過程后,我們就可以

46、運用軟件的仿真功能對模型的運動學,靜力學,動力學進行分析,本文對所建立的模型進行了運動學的理論分析,然后又結合軌跡規(guī)劃進行了仿真分析。軌跡規(guī)劃一般分為兩種:一種是在關節(jié)空間進行規(guī)劃,將關節(jié)變量表示成時間的函數,并規(guī)劃它的一階和二階時間導數;另一種是在直角空間(笛卡爾空間)進行規(guī)劃,將末端位姿、速度、加速度表示為時間的函數,而相應的關節(jié)位移、速度和加速度由末端信息導出。</p><p>  本文分別給出了對模型進行

47、關節(jié)空間和直角空間軌跡規(guī)劃方法的理論分析,并在ADAMS/View的仿真和后處理模塊中利用ADAMS內嵌的step函數對關節(jié)空間內三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃進行了分析比較。</p><p>  3.3.1軌跡規(guī)劃方法的理論分析</p><p> ?。?)關節(jié)空間內三次多項式軌跡規(guī)劃</p><p>  假設機器人的初始位姿是已知的,通過逆運動學方程可以求得期望位

48、姿對應的關節(jié)角。若考慮其中某一關節(jié)在運動開始時刻的角度,希望該關節(jié)在時刻運動到新的角度,使用多項式函數可以保證初始和末端的邊界條件與已知條件相匹配,這些條件信息可以求解下面的三次多項式方程。</p><p>  針對本文設計的三自由度機器人,在其初始位置基礎下,我們要求機器人手臂在6S后分別運動=180°,=60°,=30°。</p><p> ?。?)關節(jié)空

49、間內五次多項式軌跡規(guī)劃</p><p>  在三次多項式規(guī)劃中,我們采用的邊界條件是起點和終點的位置與速度,如果同時指定起點和終點的加速度,這樣邊界條件就增加到6個,可以用同樣的方法進行五次多項式的規(guī)劃:</p><p>  (3)關節(jié)空間內拋物線過渡的線性運動軌跡規(guī)劃</p><p>  在關節(jié)空間軌跡規(guī)劃的另一種方法就是讓關節(jié)以恒定的速度在起點和終點之間運動,軌

50、跡方程相當于一次多項式,速度為常數,加速度為零。這樣意味著在起點和終點的加速度必須為無窮大,為避免這一情況,線性運動在起點和終點可以用拋物線來過渡。如圖4-6,拋物線與直線過渡段在時間和處是對稱的,由此得到:</p><p>  此時拋物線運動段的加速度為一常數,在A點和B點速度連續(xù),將邊界條件代入得:</p><p>  從而得出拋物線的方程為:</p><p>

51、  從而可求出過渡時間:</p><p>  (4)直角空間軌跡規(guī)劃</p><p>  直角坐標空間軌跡與機器人相對于直角坐標系的運動有關,機器人末端執(zhí)行器的位姿就是沿循直角坐標空間的軌跡。實際上所有的關節(jié)空間軌跡規(guī)劃的方法都可用于直角坐標空間的軌跡規(guī)劃。其差別在于:對于關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃,規(guī)劃函數生成的值就是關節(jié)值,而直角坐標空間軌跡規(guī)劃函數生成的值是機器人末端執(zhí)行器的位姿,必須通過反

52、復求解逆運動學方程來計算關節(jié)角。</p><p>  其過程可以綜合如下:</p><p>  將時間增加一個增量;</p><p>  利用所選擇的軌跡函數計算末端執(zhí)行器的位姿;</p><p>  利用機器人逆運動學方程計算位姿對應的關節(jié)量;</p><p>  將關節(jié)信息傳遞給控制器;</p>&l

53、t;p><b>  重復以上循環(huán)過程。</b></p><p>  3.3.2 軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p> ?。?)三次多項式軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>  我們在ADAMS里進行三次多項式軌跡仿真時,用的是STEP函數[10]。STEP函數利用的是三次多項式逼近海賽階躍函數。STEP階躍函數有連續(xù)的一階導,但在起點處的二階

54、導不連續(xù),在速度圖像上表現為速度連續(xù)但加速度不連續(xù)。</p><p>  我們設定機器人三個部分在6S時間內分別轉動180°,60°,30°,為了分析其運動特性,我們分別選取機器人小臂PART6末端的PART6_MARKER_6點的運動參數進行分析。</p><p>  從上圖中我們看到,在三次多項式規(guī)劃條件下,X,Y,Z三個方向上的點都呈現出起伏變化,與勻速

55、驅動條件下情況不同。PART6_MARKER_6點從(248.2051,70.0962,-40.0)運動到(-303.1089,475.0,40.0)處。</p><p>  PART6_MARKER_6速度和加速度曲線如圖4-8所示,我們可以看到,速度由0mm/s增大到297.6708mm/s,然后又逐漸下降到0mm/s,而加速度最大值達到了253.6641mm/,并且在0.012s和5.988/s處存在突變。

56、</p><p>  PART6_MARKER_6角速度和角加速度曲線如圖4-9所示,PART6_MARKER_6角速度和角加速度變化與速度變化類似,最大角速度為50.3512d/s,角加速度最大為33.4069d/,在0.012s和5.988/s處存在突變。</p><p>  (2)五次多項式軌跡規(guī)劃仿真分析</p><p>  我們運用ADAMS內嵌的step

57、5函數對機器人關節(jié)進行五次多項式軌跡規(guī)劃,step5函數是通過五次多項式逼近海塞階躍函數。同樣選取我們分別選取機器人小臂PART6末端PART6_MARKER_6點的運動參數進行分析。</p><p>  從上圖中我們可以看出,三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃相比,機器人手臂末端的始末位置不變,都是從(248.2051,70.0962,-40.0)運動到(-303.1089,475.0,40.0),中間點的位移也沒

58、太大變化。但是其速度和加速度等運動參數變化卻比較大。五次多項式軌跡規(guī)劃條件下PART6_MARKER_6的速度和加速度曲線如圖4-17所示:</p><p>  從上面的圖像中我們可以看到,PART6_MARKER_6的速度先增后減,加速度變化也一樣。速度從開始時刻的0mm/s增大到中間時刻的370.1791mm/s再減小到終點時刻的0mm/s,加速度變化較三次多項式規(guī)劃時平緩,不存在突變點。在0s時最小,為0m

59、m/,中間時刻達到最大值396.2381mm/,然后逐漸下降到終點時的0mm/。角速度和角加速度的變化情況如下:最大角速度為62.8912d/s,最大角加速度為32.826d/,角加速度不存在明顯突變。</p><p> ?。?)軌跡規(guī)劃比較分析</p><p>  從上面的兩種軌跡仿真結果中可以看出,三次多項式軌跡規(guī)劃和五次多項式軌跡規(guī)劃最大的區(qū)別就在前者的加速度和角加速度在中間點存在跳

60、變,而后者的加速度和角加速度的變化則趨于平緩。我們對兩種情況下PART6_MARKER_6點的運動參數變化情況進行比較,如下表所示:</p><p>  表4-3 PART3_MARKER_12點的運動參數比較</p><p>  之所以有這種區(qū)別,原因在于三次多項式軌跡規(guī)劃中,我們的邊界條件只有四個,初始位移和速度,終點的位移和速度;而在五次多項式軌跡規(guī)劃中,我們的初始條件中包含了加速度

61、,分別為初始位移、速度和加速度,終點位移、速度和加速度。因此在一般的三次多項式軌跡規(guī)劃中,我們應該加入最大速度變化的限制條件,從而保證機器人的運動更平穩(wěn)。</p><p><b>  結論</b></p><p>  本文以簡單的三自由度機器人為研究對象,通過ADAMS虛擬樣機建模,建立起運動學方程,進行工作路徑的軌跡規(guī)劃,對機器人進行運動學仿真和分析。主要進行了以下

62、幾個方面的工作:</p><p>  (1)進行了運動學分析。按照通用的D-H法則,通過矩陣變換,得到了機器人的正運動學方程和初始坐標,推導出機器人逆運動學的關節(jié)角度。</p><p>  (2)運用ADAMS虛擬樣機軟件對機器人進行建模。通過模塊化設計和布爾運算,對機器人模型進行了結構優(yōu)化。</p><p>  (3)進行了軌跡規(guī)劃和仿真。通過ADAMS中內嵌的S

63、tep和Step5函數,分別進行了三次多項式和五次多項式的軌跡規(guī)劃,在ADAMS的后處理程序中對規(guī)劃后的曲線進行了仿真分析。</p><p>  (4)利用Visual C++6.0和OpenGL導入并建立了機械手模型,建立了仿真場景,實現了基于模型數據的運動仿真,并實現了視角的交互式鍵盤控制。</p><p>  通過上述工作,我們得到以下結論:</p><p>

64、  (1)通過D-H法則建立的機器人正逆運動學方程是正確的,能夠計算出機器人在任意角度時的坐標和任意位置的關節(jié)角度。</p><p>  (2)ADAMS虛擬樣機軟件可以進行機器人三維建模,并對其進行運動學分析,運動學分析是針對相關設計點的運動參數進行的。ADAMS軟件強大的函數功能可以實現所需要的參數關聯(lián),后處理程序中的仿真功能可以實現機器人的運動學和動力學分析。</p><p>  (

65、3)軌跡規(guī)劃中我們可以看出三次多項式軌跡規(guī)劃只能規(guī)劃位移和速度,而五次多項式規(guī)劃可以規(guī)劃位移,速度和加速度,規(guī)劃效果優(yōu)于前者。這是因為五次多項式軌跡規(guī)劃的邊界條件中包含了加速度信息,因此我們可以推斷:規(guī)劃次數越高,效果越好。</p><p>  (4)VC++6.0和OpenGL能夠很好的實現可視化視景仿真系統(tǒng)的開發(fā),功能擴展性很強,能夠很好的實現交互式仿真,實現對模型的實時控制。</p><

66、p><b>  后續(xù)工作展望:</b></p><p>  (1)通過對簡單的三自由度機器人運動學分析,我們可以進行復雜的機器人運動學推導,比如六自由度關節(jié)機器人的運動學分析。</p><p>  (2)在運動學分析后,可以進行動力學分析,通過ADAMS和MATLAB的聯(lián)合仿真,對機器人關節(jié)的驅動進行控制。</p><p>  (3)本文

67、僅對機器人進行了三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃,我們還可以嘗試關節(jié)坐標空間和直角坐標空間的其它軌跡規(guī)劃方法。</p><p>  (4)由于時間關系,本文只是實現了視景仿真系統(tǒng)的簡單建模和基于模型數據的運動仿真,模型建立很粗糙,場景材質、光照等設置不是很理想,還具有很大的改進空間,比如還可以通過Matlab和VC++混合編程實現控制模型對機械手模型的實時控制等。</p><p><b

68、>  參考文獻</b></p><p>  [1] 原魁.工業(yè)機器人發(fā)展現狀與趨勢.現代零部件,2007年第1期</p><p>  [2] 張楊林.國內工業(yè)機器人市場及發(fā)展趨勢.大眾科技,2006年第6期</p><p>  [3] 劉遠江.中國工業(yè)機器人市場調查.機器人技術與應用,2005年第3期</p><p>

69、  [4] 宋健.基于ADAMS的虛擬樣機技術研究綜述.濰坊學院學報,2006年11月,第六卷第6期</p><p>  [5] (美)Saeed B.Niku .機器人學到導論.孫富春,朱紀洪,劉國棟.電子工業(yè)出版社, 2004.1 </p><p>  [6] (美)John J.Craig.機器人學導論.贠超.機械工業(yè)出版社,2006.6</p><p>

70、  [7] 楊玉維.3-RRRP并聯(lián)機器人運動學研究與仿真. [研究生學位論文]: 天津理工大學機械設計系,2005年3月</p><p>  [8] 李增剛編著.ADAMS入門詳解與實例.國防工業(yè)出版社,2006.4 </p><p>  [9] 范建成,熊光明,周明飛.MSC.ADAMS應用與提高.機械工業(yè)出版社, 2006.9</p><p>  [10

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