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固定作業機器人應用于工廠車間輔助作業，搬運工件或工裝設備，也可用于裝配作業等。可以模擬人的手、臂的部分工作，按照預定的程序軌跡及其它要求，實現抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置，是典型的機電一體化產品，在實現柔性制造、提高產品質量、代替人在惡劣環境下工作發揮著重要作用。利用虛擬樣機技術可以在設計階段預測產品的性能，優化產品的設計，進行運動學以及動力學仿真。本設計就是利用Pro/Engineer20001進行實體建模，然后運用ADAMS軟件對機器人機構進行運動學仿真。
1 固定作業機器人的結構
固定作業機器人的結構簡圖如圖1所示，該機器人屬于關節機器人，具有4個自由度。關節1和4為轉動關節，關節2和3為移動關節，實現升降和伸縮運動。圖1為其結構示意圖。其運動特點是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工業機器人一樣，前三個關節軸線交于一點。其中關節1和4為轉動關節由液壓擺動馬達驅動實現 的旋轉，關節2和3為移動關節由液壓缸驅動實現升降和伸縮運動。圖2是固定作業機器人各關節處于起始位置的連桿坐標示意圖。相應的連桿參數如表1所示。
圖1機器人結構示意圖
圖2連桿坐標示意圖
機器人的運動學分析是運動仿真的基礎，通過求解運動學方程的正、逆解，得到機器人手爪位姿與關節變量的關系。正解相對簡單，逆解采用Paul等人提出的反變換法。
2 機器人實體模型的構造
ADAMS軟件本身的三維建模功能不強，只能構造一些簡單的和不精確的模型。ADAMS軟件有很多專業模塊，其中MECHANISM/Pro(Pro/E接口)模塊是連接Pro/E與ADAMS之間的橋梁。二者采用無縫連接的方式，利用Pro/E建造的裝配模型可以完全導入ADAMS/View環境中，加上運動副和運動，然后進行運動學及動力學分析。因此，本設計采用Pro/Engineer20001進行實體造型，然后通過MECHANISM/Pro模塊將實體模型導入ADAMS/View中進行運動學仿真。
實體建模的過程是先確定各個零件之間的尺寸，然后對零件進行實體造型。由于 Pro/Engineer20001默認模板的尺寸為英寸(inch)，而一般使用的都為毫米(mm),所以建模時不使用默認的模板，選用mmns_part_solid模板。進入Pro/Engineer20001零件設計模式后還需要改變單位設置。具體過程是在【菜單管理器】中選擇【零件】，再選擇【設置】，然后選擇【單位】，此時會彈出【數值單位管理器】對話框。點擊【新增】菜單，然后將長度改為mm，質量改為kg，再點擊【確定】，最后選中units_system1選項點擊【設定】及【確定】，單位設定完成。每一個零件的建模都需改變單位。建立各個零件的三維模型之后，需要對其進行裝配。零件的裝配就是將現實中零件的設計關系映射到虛擬環境中零件的裝配約束關系，通過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 運動仿真
在模型建造完成之后，通過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File中的Import將其導入View窗口中，就可以對模型進行多種仿真分析操作，用來觀察模型的運行情況。ADAMS/Solver是ADAMS模塊中處于心臟地位的仿真器，能自動形成機械系統模型的動力學方程，提供靜力學、運動學和動力學的結算 ，還可以使仿真的結果以動畫的形式顯示出來，使設計者更直觀的觀察運行結果。
約束是用來定義零件連接方式以及零件之間的相對運動。ADAMS/View提供了一個約束庫，利用這些約束庫來對各個關節加運動副。本設計機構有四個關節，兩個轉動關節和兩個移動關節。機座和大地連接需要用Fixed副(對應JOINT1)來固定，伸縮缸和升降活塞連接也須用Fixed副(對應JOINT5)來固定。升降缸和底座的約束用一個轉動副(對應JOINT3)來連接，升降缸和活塞的約束用一個移動副(對應JOINT4)來連接，伸縮缸和活塞的約束用一個移動副(對應JOINT6)來連接，手腕和伸縮活塞的約束用一個轉動副(對應JOINT7)來連接。然后，再定義各個運動(Motion)。
使用Math Function中的step函數可實現運動的分段控制， step函數的表達式為：STEP( x , x0, h0 , x1 , h1 )
其中：x――自變量，可以是時間或自定義的變量，通常Function都是時間的函數；
x0――自變量的初始值；
h0――對應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――對應x1的變量值。
各個關節的運動方程如下：
JOINT3表示底座轉動，函數方程如下, 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表示手腕的轉動，函數方程如下, 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機器人在ADAMS環境下的完整仿真模型，然后進行5s,300步的仿真，并利用ADAMS/Postprocessor模塊自動生成robot.avi文件。最后，仿真的結果及軌跡規劃圖如圖5。
圖5運行軌跡
4 結束語
本文首先運用了Pro/E建立了固定作業機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 將實體模型導入ADAMS/View中進行了運動仿真研究，仿真結果表明ADAMS和MECHANISM/Pro的結合是成功的。通過仿真動畫直觀的觀察到機器人的工作過程，為進一步研究機器人的動、靜態特性提供了條件。這樣，就會達到減少研究人員的計算量和提高工作效率。
參考文獻
[1] 李軍，邢俊文，覃文潔等.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工大學出版社，2002，7
[2] 陳立平，張云清，任衛群，覃剛等.機械系統動力學分析及ADAMS應用教程
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號