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        固定作业机器人应用于工厂车间辅助作业，搬运工件或工装设备，也可用于装配作业等。可以模拟人的手、臂的部分工作，按照预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置，是典型的机电一体化产品，在实现柔性制造、提高产品质量、代替人在恶劣环境下工作发挥着重要作用。利用虚拟样机技术可以在设计阶段预测产品的性能，优化产品的设计，进行运动学以及动力学仿真。本设计就是利用Pro/Engineer20001进行实体建模，然后运用ADAMS软件对机器人机构进行运动学仿真。

       固定作业机器人的结构简图如图1所示，该机器人属于关节机器人，具有4个自由度。关节1和4为转动关节，关节2和3为移动关节，实现升降和伸缩运动。图1为其结构示意图。其运动特点是1和2同轴，3和4同轴，1和2与3和4垂直且相交和大多数工业机器人一样，前三个关节轴线交于一点。其中关节1和4为转动关节由液压摆动马达驱动实现 的旋转，关节2和3为移动关节由液压缸驱动实现升降和伸缩运动。图2是固定作业机器人各关节处于起始位置的连杆坐标示意图。相应的连杆参数如表1所示。

 图2连杆坐标示意图

    机器人的运动学分析是运动仿真的基础，通过求解运动学方程的正、逆解，得到机器人手爪位姿与关节变量的关系。正解相对简单，逆解采用Paul等人提出的反变换法。

    ADAMS软件本身的三维建模功能不强，只能构造一些简单的和不精确的模型。ADAMS软件有很多专业模块，其中MECHANISM/Pro(Pro/E接口)模块是连接Pro/E与ADAMS之间的桥梁。二者采用无缝连接的方式，利用Pro/E建造的装配模型可以完全导入ADAMS/View环境中，加上运动副和运动，然后进行运动学及动力学分析。因此，本设计采用Pro/Engineer20001进行实体造型，然后通过MECHANISM/Pro模块将实体模型导入ADAMS/View中进行运动学仿真。

    实体建模的过程是先确定各个零件之间的尺寸，然后对零件进行实体造型。由于    Pro/Engineer20001默认模板的尺寸为英寸(inch)，而一般使用的都为毫米(mm),所以建模时不使用默认的模板，选用mmns_part_solid模板。进入Pro/Engineer20001零件设计模式后还需要改变单位设置。具体过程是在【菜单管理器】中选择【零件】，再选择【设置】，然后选择【单位】，此时会弹出【数值单位管理器】对话框。点击【新增】菜单，然后将长度改为mm，质量改为kg，再点击【确定】，最后选中units_system1选项点击【设定】及【确定】，单位设定完成。每一个零件的建模都需改变单位。建立各个零件的三维模型之后，需要对其进行装配。零件的装配就是将现实中零件的设计关系映射到虚拟环境中零件的装配约束关系，通过定义零件之间的装配约束完成零件组装 。装配之后的模型也须改变单位，如同前述。零件的装配图如图3。

 图3整体装配图

    在模型建造完成之后，通过Pro/Engineer20001中的MECHANISM/Pro接口，将装配模型定义成刚体，再将其装换生成*.cmd文件。然后，打开ADAMS/View通过File中的Import将其导入View窗口中，就可以对模型进行多种仿真分析操作，用来观察模型的运行情况。ADAMS/Solver是ADAMS模块中处于心脏地位的仿真器，能自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的结算 ，还可以使仿真的结果以动画的形式显示出来，使设计者更直观的观察运行结果。

    约束是用来定义零件连接方式以及零件之间的相对运动。ADAMS/View提供了一个约束库，利用这些约束库来对各个关节加运动副。本设计机构有四个关节，两个转动关节和两个移动关节。机座和大地连接需要用Fixed副(对应JOINT1)来固定，伸缩缸和升降活塞连接也须用Fixed副(对应JOINT5)来固定。升降缸和底座的约束用一个转动副(对应JOINT3)来连接，升降缸和活塞的约束用一个移动副(对应JOINT4)来连接，伸缩缸和活塞的约束用一个移动副(对应JOINT6)来连接，手腕和伸缩活塞的约束用一个转动副(对应JOINT7)来连接。然后，再定义各个运动(Motion)。

使用Math Function中的step函数可实现运动的分段控制， step函数的表达式为：STEP( x , x0, h0 , x1 , h1 )

其中：x――自变量，可以是时间或自定义的变量，通常Function都是时间的函数；

x0――自变量的初始值；

h0――对应x0的变量值，变量值如果是角度，在值的后面加d，表示度；

x1――自变量的终值；

h1――对应x1的变量值。

各个关节的运动方程如下：

JOINT3表示底座转动，函数方程如下, 其曲线如图4(a)

STEP(  time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP(  time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )

JOINT4表示整体升降，函数方程如下, 其曲线如图4(b)

STEP(  time , 0 , 0 , 2.5 , -200)+STEP(  time , 2.5 , 0 , 5 , 200)

JOINT6表示伸缩缸伸缩，函数方程如下，其曲线如图4(c)

STEP(  time , 0 , 0 , 2.5 , -150)+STEP(  time , 2.5 , 0 , 5 , 150)

JOINT7表示手腕的转动，函数方程如下, 其曲线如图4(d)

STEP( time , 0 , 0d , 2.5 , 180d )+STEP( time , 2.5 , 0d , 5 , -180d )

 图4(d)

    至此建立起了固定作业机器人在ADAMS环境下的完整仿真模型，然后进行5s,300步的仿真，并利用ADAMS/Postprocessor模块自动生成robot.avi文件。最后，仿真的结果及轨迹规划图如图5。

图5运行轨迹

    本文首先运用了Pro/E建立了固定作业机器人的三维仿真模型，然后利用Pro/E和ADAMS软件的模块接口MECHANISM/Pro 将实体模型导入ADAMS/View中进行了运动仿真研究，仿真结果表明ADAMS和MECHANISM/Pro的结合是成功的。通过仿真动画直观的观察到机器人的工作过程，为进一步研究机器人的动、静态特性提供了条件。这样，就会达到减少研究人员的计算量和提高工作效率。

 

[1] 李军，邢俊文，覃文洁等.ADAMS实例教程[M].北京：北京理工大学出版社，2002，7

[2] 陈立平，张云清，任卫群，覃刚等.机械系统动力学分析及ADAMS应用教程