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固定作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于工廠車間輔助作業(yè)，搬運(yùn)工件或工裝設(shè)備，也可用于裝配作業(yè)等。可以模擬人的手、臂的部分工作，按照預(yù)定的程序軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在實(shí)現(xiàn)柔性制造、提高產(chǎn)品質(zhì)量、代替人在惡劣環(huán)境下工作發(fā)揮著重要作用。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品的性能，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)以及動(dòng)力學(xué)仿真。本設(shè)計(jì)就是利用Pro/Engineer20001進(jìn)行實(shí)體建模，然后運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
1 固定作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)
固定作業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)機(jī)器人，具有4個(gè)自由度。關(guān)節(jié)1和4為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2和3為移動(dòng)關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)升降和伸縮運(yùn)動(dòng)。圖1為其結(jié)構(gòu)示意圖。其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是1和2同軸，3和4同軸，1和2與3和4垂直且相交和大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人一樣，前三個(gè)關(guān)節(jié)軸線交于一點(diǎn)。其中關(guān)節(jié)1和4為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)由液壓擺動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) 的旋轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)2和3為移動(dòng)關(guān)節(jié)由液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)升降和伸縮運(yùn)動(dòng)。圖2是固定作業(yè)機(jī)器人各關(guān)節(jié)處于起始位置的連桿坐標(biāo)示意圖。相應(yīng)的連桿參數(shù)如表1所示。
圖1機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
圖2連桿坐標(biāo)示意圖
機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)，通過(guò)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正、逆解，得到機(jī)器人手爪位姿與關(guān)節(jié)變量的關(guān)系。正解相對(duì)簡(jiǎn)單，逆解采用Paul等人提出的反變換法。
2 機(jī)器人實(shí)體模型的構(gòu)造
ADAMS軟件本身的三維建模功能不強(qiáng)，只能構(gòu)造一些簡(jiǎn)單的和不精確的模型。ADAMS軟件有很多專業(yè)模塊，其中MECHANISM/Pro(Pro/E接口)模塊是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無(wú)縫連接的方式，利用Pro/E建造的裝配模型可以完全導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中，加上運(yùn)動(dòng)副和運(yùn)動(dòng)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。因此，本設(shè)計(jì)采用Pro/Engineer20001進(jìn)行實(shí)體造型，然后通過(guò)MECHANISM/Pro模塊將實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
實(shí)體建模的過(guò)程是先確定各個(gè)零件之間的尺寸，然后對(duì)零件進(jìn)行實(shí)體造型。由于 Pro/Engineer20001默認(rèn)模板的尺寸為英寸(inch)，而一般使用的都為毫米(mm),所以建模時(shí)不使用默認(rèn)的模板，選用mmns_part_solid模板。進(jìn)入Pro/Engineer20001零件設(shè)計(jì)模式后還需要改變單位設(shè)置。具體過(guò)程是在【菜單管理器】中選擇【零件】，再選擇【設(shè)置】，然后選擇【單位】，此時(shí)會(huì)彈出【數(shù)值單位管理器】對(duì)話框。點(diǎn)擊【新增】菜單，然后將長(zhǎng)度改為mm，質(zhì)量改為kg，再點(diǎn)擊【確定】，最后選中units_system1選項(xiàng)點(diǎn)擊【設(shè)定】及【確定】，單位設(shè)定完成。每一個(gè)零件的建模都需改變單位。建立各個(gè)零件的三維模型之后，需要對(duì)其進(jìn)行裝配。零件的裝配就是將現(xiàn)實(shí)中零件的設(shè)計(jì)關(guān)系映射到虛擬環(huán)境中零件的裝配約束關(guān)系，通過(guò)定義零件之間的裝配約束完成零件組裝 。裝配之后的模型也須改變單位，如同前述。零件的裝配圖如圖3。
圖3整體裝配圖
3 運(yùn)動(dòng)仿真
在模型建造完成之后，通過(guò)Pro/Engineer20001中的MECHANISM/Pro接口，將裝配模型定義成剛體，再將其裝換生成*.cmd文件。然后，打開ADAMS/View通過(guò)File中的Import將其導(dǎo)入View窗口中，就可以對(duì)模型進(jìn)行多種仿真分析操作，用來(lái)觀察模型的運(yùn)行情況。ADAMS/Solver是ADAMS模塊中處于心臟地位的仿真器，能自動(dòng)形成機(jī)械系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)方程，提供靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的結(jié)算 ，還可以使仿真的結(jié)果以動(dòng)畫的形式顯示出來(lái)，使設(shè)計(jì)者更直觀的觀察運(yùn)行結(jié)果。
約束是用來(lái)定義零件連接方式以及零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。ADAMS/View提供了一個(gè)約束庫(kù)，利用這些約束庫(kù)來(lái)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)加運(yùn)動(dòng)副。本設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)有四個(gè)關(guān)節(jié)，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)座和大地連接需要用Fixed副(對(duì)應(yīng)JOINT1)來(lái)固定，伸縮缸和升降活塞連接也須用Fixed副(對(duì)應(yīng)JOINT5)來(lái)固定。升降缸和底座的約束用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(對(duì)應(yīng)JOINT3)來(lái)連接，升降缸和活塞的約束用一個(gè)移動(dòng)副(對(duì)應(yīng)JOINT4)來(lái)連接，伸縮缸和活塞的約束用一個(gè)移動(dòng)副(對(duì)應(yīng)JOINT6)來(lái)連接，手腕和伸縮活塞的約束用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副(對(duì)應(yīng)JOINT7)來(lái)連接。然后，再定義各個(gè)運(yùn)動(dòng)(Motion)。
使用Math Function中的step函數(shù)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的分段控制， step函數(shù)的表達(dá)式為：STEP( x , x0, h0 , x1 , h1 )
其中：x――自變量，可以是時(shí)間或自定義的變量，通常Function都是時(shí)間的函數(shù)；
x0――自變量的初始值；
h0――對(duì)應(yīng)x0的變量值，變量值如果是角度，在值的后面加d，表示度；
x1――自變量的終值；
h1――對(duì)應(yīng)x1的變量值。
各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方程如下：
JOINT3表示底座轉(zhuǎn)動(dòng)，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(a)
STEP( time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP( time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )
JOINT4表示整體升降，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(b)
STEP( time , 0 , 0 , 2.5 , -200)+STEP( time , 2.5 , 0 , 5 , 200)
JOINT6表示伸縮缸伸縮，函數(shù)方程如下，其曲線如圖4(c)
STEP( time , 0 , 0 , 2.5 , -150)+STEP( time , 2.5 , 0 , 5 , 150)
JOINT7表示手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，函數(shù)方程如下, 其曲線如圖4(d)
STEP( time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP( time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )
圖4(d)
至此建立起了固定作業(yè)機(jī)器人在ADAMS環(huán)境下的完整仿真模型，然后進(jìn)行5s,300步的仿真，并利用ADAMS/Postprocessor模塊自動(dòng)生成robot.avi文件。最后，仿真的結(jié)果及軌跡規(guī)劃圖如圖5。
圖5運(yùn)行軌跡
4 結(jié)束語(yǔ)
本文首先運(yùn)用了Pro/E建立了固定作業(yè)機(jī)器人的三維仿真模型，然后利用Pro/E和ADAMS軟件的模塊接口MECHANISM/Pro 將實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真研究，仿真結(jié)果表明ADAMS和MECHANISM/Pro的結(jié)合是成功的。通過(guò)仿真動(dòng)畫直觀的觀察到機(jī)器人的工作過(guò)程，為進(jìn)一步研究機(jī)器人的動(dòng)、靜態(tài)特性提供了條件。這樣，就會(huì)達(dá)到減少研究人員的計(jì)算量和提高工作效率。
參考文獻(xiàn)
[1] 李軍，邢俊文，覃文潔等.ADAMS實(shí)例教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2002，7
[2] 陳立平，張?jiān)魄澹涡l(wèi)群，覃剛等.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)