基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真

基于ADAMS的四自由度机械手运动学仿真

1 引言

1.1工业机械手研究现状

随着机器人研究的不断深入和机器人领域的不断发展，机器人仿真系统在机器人设计和研究方面，发挥着重要的作用，它可应用于机器人的许多方面，已成为机器人学的一个重要分支。例如：可帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限；还能帮助研究人员了解机器人工作空间的形态与合理性；可用于分析检验轨迹规划和作业规划的正确性与合理性；可为离线编程技术的研究提供一种极为有效的验证手段；可以用于实时检测机器人与作业环境之间的碰撞与干涉以保证整个生产单元的安全等。此外，仿真技术还可以帮助用户选择适合特定作业环境的机器人类型。

机械手是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。

工业机械手的性能，要求不断提高工作精度和作业速度，增加机构的自由度，提高通用性和灵活性，同时还要求降低成本，控制简单，安全可靠。因此，工业机械手的研究处于机械手研究的前沿。

多自由度机械手已经得到了广泛的研究，但自由度较少的工业机械手，以其造价低廉、结构紧凑、刚度高、定位精度高、响应速度快、实用性强等优势，有极高的性价比，在实际工业市场得到了广泛的应用。水平多关节工业机械手由于精度高、运动速度快，串联四自由度导致其靠后的驱动电机和传动系统都位于运动着的臂上，导致系统惯性增加，系统动力性能恶化；又由于串联机构求正解较容易，而求逆解则较困难，因此运动学与动力学计算困难，导致在设计中必须放宽各种设计参数；还因为机器较重，并进一步导致驱动部分变大，系统响应速度降低，大型驱动部分难以取得较高的精度。

1.2 工业机械手的功能及应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。

在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常配有机械手，以提高生产效率，完成工人难

以完成的或者危险的工作。可是在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序，机械手加工行业中用于取料、送料，浇铸行业中用于提取高温熔液等等。下面具体说明机械手在工业方面的应用。

(1) 建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都采用机械手在机床之间传递零件。国内这类生产线很多，如沈阳永泵厂的深井泵轴承体加工自动线（环类），大连电机厂的4号和5号电动机加工自动线（轴类），上海拖拉机厂的齿坯自动线（盘类）等。加工箱体类零件的组合机床自动线，一般采用随行夹具传送工件，也有采用机械手的，如上海动力机厂的气盖加工自动线转位机械手。

（2）在实现单机自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，但仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手，大连第二车床厂的自动循环液压仿行车床机械手，沈阳第三机床厂的Y38滚齿机械手，青海第二机床厂的滚铣花键机床机械手等。由于这方面的使用已有成功的经验，国内一些机床厂已在这类产品出厂时就附上机械手，或为用户安装机械手提供条件。如上海第二汽车配件厂的灯壳冲压生产线机械手（生产线中有两台多工位机床）和天津二注塑机有加料、合模、成型、分模等自动工作循环，装上机械手的自动装卸工件，可实现全自动化生产。目前机械手在冲床上应用有两个方面：一是160t以上的冲床用机械手的较多，如沈阳低压开关厂200t环类冲床磁力起重器壳体下料机械手和天京拖拉机厂400t冲床的下料机械手等；二是用于多工位冲床，用作冲压件工位间步进轻局技术研究所制作的120t和40t多工位冲床机械手等。

（3）铸、锻、焊热处理等热加工方面

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置在炉前，实现进出料自动化，上海柴油机厂、北京内燃机厂、洛阳拖拉机厂等已有较成熟的经验。

1.3本文研究内容及研究意义

本文所介绍的方法是使用Pro/Engineer 进行3D 建模，并使用ADAMS 进行运动学和动力学仿真。在机械手的设计过程中，使用计算机模拟计算实际机械手的运动与受力特征，指导3D 设计过程的方法，可以降低机械手的开发周期，降低了机械手的开发成本；机械手的运动学仿真，还具有进行样机试验无法比拟的其他优势，包含可以准确预测机械手的下一步的运动过程，通过更改机械手的控制算法，可以降低机械手的能耗、反应时间，而且还具有及时改进设计参数、再次进行仿真、避免重复的实物建造等一系列降低费用、缩短开发周期的优点。

2工程机械仿真简介

2.1 概述

建国以来，工程机械行业从无到有，从弱到强，走过了波澜壮阔的60年风雨历程，为我国的现代化建设做出了重要贡献。工程机械行业已经成为我国工业领域在自主创新、品牌建设、出口创汇等方面的典范，涌现了一批在国内外有影响力的人物、企业、品牌。

2.2工程机械仿真的思想、内容和特点

工程机械是否具有优良品质、使用性能和可靠性水平，取决于采用先进的设计理论和方法手段产生的优化的零部件及机器整体的结构形状。工程机械仿真设计的基本思想、内容是：建立以机器的技术经济效益综合评价指标为优化准则，在相似的使用条件下，从结构尺寸相似的现有机器产品系列中筛选出技术经济指标和效益指标最优的机器作为样机，然后根据描述机器技术形态和工作过程的数学方程，运用相似理论推导出设计机器与样机参数间的相似公式，利用计算机进行计算和处理，迅速将优化样机参数换算到要设计的机器上，并根据所得新机器的主要参数和样机的结构与图形，绘制出设计机器的图纸。仿真设计的特点主要是理论性强、速度快、费用低，是工程机械研制新机器的良好途径，它不仅对提高机器的开发速度，保证设计质量有良好的实用价值，而且对引进机器设备的仿制及系列化具有重要作用。

2.3 参数化设计概念

参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的造型方法。采用参数化模型，通过调整参数来修改和控制几何形状，从而自动实现产品的精确造型。这些重要的几何参数包括控制形体大小的尺寸和定位形体的方向矢量等。

参数化技术以约束为核心，是一种比约束自由造型技术更新颖、更好的造型技术。该技术具有以下3个方面的优点：

( 1 ) 设计人员的初始设计要求低。无需精通绘图，只需勾绘草图即可，提高了设计的柔性。

( 2 ) 便于系列化设计。同种规格零件的不同尺寸系列可在一次设计成型后通过修改尺寸得到。

( 3 ) 便于随时编辑、修改，能满足反复设计要求。

2.4 工程机械零部件参数化仿真设计

工程机械各个机构由很多的零部件构成，其中存在大量的相似件，同一系列的机型之间也有大量的相似件。在传统的二维、三维设计方法上，需要对每一个零部件进行分别建模，这就必然要求占用较多的时间和空间，浪费更多的精力，而且在对零部件进行修改时，需要改动的参数也比较多，花费大量的时间和精力，对设计者来说节省设计时间、提高设计效率成为主题。

3 Pro/E功能介绍

3.1引言

Pro/E是全方位的3D产品开发软件包，和相关软件Pro/DESINGER（造型设计）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件设计、产品装配、模具开发、加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时间并简化了开发的流程，国际上有27000多企业采用了PRO/ENGINEER软件系统，作为企业的标准软件进行产品设计。

3.2 Pro/E对三维模型的处理

3.2.1 Pro/E的三维模型创建功能

特征造型是几何造型技术的发展，它对诸如零件形状、尺寸、工艺、功能等相关信息的综合描述更直观和更具工程含义。基于特征的造型系统一般先将大量的标准特征或用户自定义特征存入数据库，在设计阶段调用特征库中的特征作为基本造型单元进行建模，再逐步输入几何信息、工艺信息，建立零件的特征数据模型，并将其存入数据库。基于特征的造型方法大大地提高了设计效率和质量，同时在设计过程中设计人员可方便地进行特征的合法性、相关性检查，便于组织复杂的特征。特征建模过程实际上是一系列特征的累加过程。

在三维建模中主要有以下3种特征:

(1)实体特征它是构建三维模型的基本单元和主要设计对象。实体特征可以是正空间特征(如实体的突出部分)，也可以是负空间特征(如实体上的孔、槽等)。在Pro/E中，根据建模方式和原理的差异，把实体特征进一步分为基础特征和工程特征。基础特征是三维模型设计的起点，包括拉伸特征、旋转特征、扫描特征和混合特征等；工程特征是在基础特征上的附加特征,它的创建依赖于已存在的基础特征，是有一定工程应用价值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。

(2)曲面特征它是一种没有质量和体积的几何特征，对曲面的精确描述比较复杂，在目前三维造型中通常采用“B样条曲线”为基础，通过曲率分布图对曲线进行编辑，进而得到高质量的曲面造型。曲面特征主要用于产

品的概念设计、外形设计和逆向工程等设计领域。

(3)基准特征指参数化设计的基准点、基准轴、基准曲线、基准平面和坐标系等。一般来说，基准特征主要用于辅助三维模型的创建。

3.2.2 Pro/E建模的一般过程

建模的各个过程有机地结合起来，形成一个整体，整个建模过程就是基于特征为基本单位的参数化设计过程。其中参数包括几何参数和尺寸参数。几何参数确定了实体特征基本位置的固定关系，尺寸参数决定了产品外观尺寸和相对距离。利用参数可以准确控制和修改所建立的三维模型。

Pro/E建模的一般过程如下：

(1) 建立或选取基准特征作为模型空间定位的基准：如基准面、基准轴和基准坐标系等。建立每个实体特征时,都要利用基准特征作为参照；

(2) 建立基础实体特征：拉伸、旋转、扫描、混合等。利用Pro/E建模首先从整体研究将要建模的零件,分析其特征组成，明确不同特征之间的关系和内在联系，确定零件特征的创建顺序，在此基础上进行建模、添加工程特征等设计。通过二维平面草绘图的旋转、拉伸、扫描和混合等工具来实现三维实体模型的构建。Pro/E三维模型将线框、曲面和实体三者结合起来；

(3) 建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；

(4) 特征的修改：特征阵列、特征复制等编辑操作；

(5) 添加材质和渲染处理。

3.2.3 利用族表实现零件系列化设计

系列化设计是指对于某些基本形状相似的零件，通过修改参数即可自动生成新的系列化零件的设计方法，系列化设计可大大节省设计时间，提高设计效率。Pro/ E提供的族表实质上是一电子表格，该表格由行和列组成。族表中由用户建立的零件为基础零件(父零件)，以基础零件为基础，通过控制参数驱动生成的零件为族成员(子零件)，所有基础零件和族成员的集合即为族表。

3.3 Pro/E的特点及产品外观造型设计

Pro/E独树一帜的软件功能直接影响了我们工作中的设计、制造方法。与其他同类三维软件（MDT、UG、CATIA等）相比，Pro/ENGINEER的不同之处在于以下几点：

（1）基于特征的（Feature-Based）

Pro/E是一个基于特征的（Feature-Based）实体模型建模工具，利用每次个别建构区块的方式构建模型。设计者根据每个加工过程，在模型上构建一个单独特征。特征是最小的建构区块，若以简单的特征建构模型，在修改模型时，更有弹性。

（2）关联的（Associative）

通过创建零件、装配、绘图等方式，可利用Pro/ENGINEER验证模型。由于各功能模块之间是相互关联的，如果改变装配中的某一零件，系统将会自动地在该装配中的其他零件与绘图上反映该变化。

（3）参数化（Parametric）

Pro/ENGINEER为一参数化系统，即特征之间存在相互关系，使得某一特征的修改会同时牵动其他特征的变更，以满足设计者的要求。如果某一特征参考到其他特征时，特征之间即产生父/子（parent/child）关系。

（4）构造曲面（surface）

复杂曲面的生成主要有三种方法：1）由外部的点集，生成三维曲线，再利用Pro/E下surface的功能生成曲面；2）直接输入由Pro/designer（造型设计）产生的曲面；3）利用import（输入）功能，以IGES、SET、VDA、Neutral等格式，输入由其他软件或三维测量仪产生的曲面。

（5）在装配图中构建实体

根据已建好的实体模型，在装配（component）中，利用其特征（平面，曲面或轴线）为基准，直接构建（Create）新的实体模型。这样建立的模型便于装配，在系统默认（default）状态下，完成装配。

在产品进行设计之前，首先要搞清楚利用软件进行设计的步骤或流程。使用PRO/E一般要遵循一定的流程：

（1）确定产品的基本结构

分析产品的基本结构，确定将产品分为几部分，根据产品的特征，建立特征曲线，使用PRO/E可接受的造型方法，构建产品的主体轮廓。例如，可将电饭煲分为三部分：锅盖总成、按键总成、锅体总成。在设计时，可先将锅盖、锅体、按键作为一体来考虑，设计完成后，用分模的方法分为三部分，按键的形状及装配位置要同锅体的曲面配合，因此，该产品应按照锅盖部分、锅体部分、按键部分的顺序进行设计。

（2）建模

按照PRO/E建模的规则，使用各种适当的建模方法，建立主体模型。其设计思路是由简到繁，由基本到复杂，复杂的几何体都是由一个简单的几何特征组合构成的。

（3）修剪曲面

使用SURFACE菜单下的各种选项，如MERGE（融合曲面），包括：JOIN （连接）、INTERSECT（相交）、TRIM（修剪曲面）、EXTEND（延伸曲面）等，对曲面进行修剪、编辑，完成模型的初步设计。

（4）曲面检测

检查曲面光滑度、曲率变化的连续性等项目，来确认曲面是否符合设计要求。一般情况下，对曲面进行渲染RENDER或SHADING处理，通过VISIBILITY （可见度）、TRANSPARENCY（透明度）、LIGHT（灯光设置）等手段，产生高清晰度的曲面，判断曲面的光滑性。此外，还可以用ANALYSIS-SURFACE ANALYSIS工具，对曲面的最小曲率半径、最大曲率半径、高斯曲率（GAUSS CURVATURE）等项目进行检测，从曲率图表、彩色图象的颜色变化，可以直观地了解曲面的光滑性。如果曲面的外观质量不符合设计要求，可以修改曲面的参数，以得到效果符合要求的曲面。由于PRO/E软件的基本特征之一就是参数化，通过改变参数实现曲面的变化是很容易的。

（6）圆顺边角

在建立CAD模型时，特征与特征之间存在父/子关系，如果增加特征或修改特征，则会引起边、面的改变，从而导致圆角特征失败，因此，边、面的圆角或光滑过度一般在模型设计的后期进行。Pro/E提供强大的圆角功能，可以完成单一边界、多边界，单一半径、变半径的圆角。此外利用软件提供的Advanced Round （高级圆角功能），通过指定圆角的形式、圆角相交时截面的形状，可达到圆顺部分不同的外观效果，是区别于其他三维软件的特色之一。在实际使用过程中，笔者发现倒圆角有一定的先后顺序，遵循由大到小、先凹后凸的原则，一般可获得成功。如果产生失败，采用改变圆角顺序、Boundary（边界曲面）和特征结合使用的方法，往往能得到满意的效果。

最后，Pro/Engineer Wildfire版本更加完善了软件的用户界面和功能，其中包含了目前国际上先进的工程设计理念和设计思想，如To-down设计、并行设计、柔性设计、系统灵敏度设计技术，在进一步推广和使用Pro/E软件的同时,这些先进的设计技术也将引入到工业产品造型设计中，与其他三维造型设计软件相比，Pro/E在结构设计上具有特殊的优势，将Pro/E运用到产品造型设计和结构设计的各个环节必将全面推动产品设计的发展和进步，与世界先进计算机辅助设计技术接轨。