基于ADAMS的五自由度机械手运动学仿真

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｍｉｓ ｐ印ｅｒ ｔｈｒｏｕ曲ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇ ａ Ｐｍ／Ｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ５－Ｄｏｆ ｒｏｂｏｔ，ａｎｄ ａＩｌ ＡＤＡＭＳ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ
ｍｏｄｅｌ，ｃ删ｅｄ ｗｈｉｃｈ ｅｑｕａｌ ｔｏ ｍｅ Ｐｒｏ／Ｅ
ｏｕｔ ｍｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅ ｍｂｏｔ，ｍｅｎ ｔｈｅ皿ｏＶｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｌｌｅ ｒｏｂｏｔ ｉｓ
中图分类号：ＴＰ２４１
文献标识码：Ａ
文章编号：１００６一０３１６ｅｍａｔｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ５－Ｄｏｆ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＤＡＭＳ
ＣＡ０ Ｃｈｕｎ—ｆａｎｇ，ＫｏＮＧ Ｑｉｎｇ—ｚｈｏｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｉ彻ｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｌｌｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｒＩｋｈｎｏｌｏｇｙ，ＨＩｌｌｌｈｏｔ ０１∞５１，Ｃｈｉｎａ）
运动学仿真后，还可测出各个关节上的驱动力， 这里只给出腰关节的驱动力曲线图，如图８。
２．２仿真结果
图４、图５显示了机械手运动的过程。图４为
机械手仿真开始１ ｓ后，腰关节转动９０。，肩关节转
：
动４５。，肘关节转动一９０。后机械手的姿态；图５为
毫
机械手在第二秒滚转一９０。，第三秒侧摆一１３５。的最
｛
终姿态。可以看到，机械手的运动符合最初的设定。
（１）输入移动或旋转的速度。在默认情况下， 输入的转速单位为度，单位时间，输入的移动单位为 长度／单位时间。
（２）使用函数表达式。 （３）输入自编函数子程序的传的参数。还可以 编一个子程序定义非常复杂的运动，此时，在 参数栏输入的是传递给子程序的参数。本次仿真使 用的是第二种方法，输入函数。ＡＤＡＭＳ提供了很
图ｌ仿真计算流程
收稿日期：２００７一０８—２４
万方数据 作者简介：曹春芳（１９８２一），女，硕士研究生，主要研究方向为机械手的运动学分析及仿真。
·７２·
机器人技术
柳掰２００７年第１２期总第３４卷
１模型建立
１．１利用Ｐｒｏ／Ｅ建立机构模型
图２即为在ｃＡＤ软件Ｐｒｏ／Ｅ中所建立的机械手 机构模型。假设各杆件质量分布均匀，且为刚体。 图中可以清楚地看到该机械手由机座、腰部、大臂、 小臂、手腕以及夹持器几部分构成。其中腰部与机 座之间、大臂与腰部之间、小臂与大臂之间分别通 过旋转关节连接。此三个关节的作用是使与其连接 的杆件构成相对转动，即机械手的三个自由度，它 们决定了机械手末端在空间中的位置。机械手的腕 部有两个旋转关节连接，包含滚转和俯仰共两个自 由度，他们决定了机械手在空间中的姿态。机械手 的技术参数如表１所示。
重
誊
图６手部末端位移变化曲线图
图７手部末端速度变化曲线图
图４机械手运动过程１
图５机械手运动过程２
在仿真结束后，进行测量输出。ＡＤＡＭｓ提供 了两种类型的测量，一种是预先定义好的自动输出 结果的测量，如：构件、点、柔性件、力、运动副 等对象的位移、速度和加速度、动能和势能、力等 有关信息。另一种是用户自定义的测量。ＡＤＡＭｓ 的测量功能非常广泛，不仅可以在仿真分析过程中 跟踪绘制感兴趣的变量，以便跟踪了解仿真分析过 程，同时还可以在仿真分析结束后绘制有关变量的 变化曲线。
图３机械手约束信息
２ ＡＤＡＭＳ仿真
２．１仿真设置
本次仿真主要观察在给定机械手五个关节角的 值后让机械手的末端达到一定位姿。要求机械手的 前三个关节先动，之后腕部关节再旋转调整姿态。 首先定义旋转副的运动，使各杆件按一定规律运动。 ＡＤＡＭＳ定义的运动可以是与时间有关的位移、速 度和加速度，默认状态下运动的速度定义为常数。 我们可以通过三种方法自定义运动值：
图２机械手模型 表ｌ机械手技术参数
该机械手可看作一个开式运动链，由连杆通过 转动关节串联而成。开链的一端固定在地面基座上， 另一端是自由的，安装着工具（或称为末端执行器）， 用来完成各种作业。整个机械手的运动是由分别安 装在每个旋转关节上的步进电机驱动，经谐波减速 器减速后带动连杆转动。只要给定各个关节的角度 值，机械手就可以以一定姿态运动到指定位置。如 果给定机械手初态和末态位置坐标，也可以测出机 械手各关节角度值及其随时间的变化规律曲线。
万方数据
扔掰２００７年第１２期总第３４卷
机器人技术
·７３·
多函数，这里使用五个ｓＴＥＰ函数来定义五个旋转 副的运动。具体如下：
Ｍｏｔｉｏｎｊｉｚｕｏ—ｙａｏ：ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０，１，９０ｄ） Ｍｏｔｉｏｎ—ｄａｂｉ—ｙａｏ：ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，０，１，４５ｄ） Ｍｏｔｉｏｎ３一ｘｉａｏｂｉ—ｄａｂｉ：ｓｔｅｐ（ｔｉｍｅ，０，Ｏ，１，一９０ｄ） Ｍｏｔｉｏｎ４一ｗａｎｌ—ｘｉａｏｂｉ：（ｔｉｍｅ，１，０，２，－９０ｄ） Ｍｏｔｉｏｎ５一ｗａｎ２一ｗａｎｌ：（ｔｉｍｅ，２，Ｏ，３，一１３５ｄ） 设定仿真时间为３ ｓ，仿真步数为２００，仿真。
祝耱２００７年第１２期总第３４卷
机器人技术
·７１·
基于ＡＤＡＭＳ的五自由度机械手运动学仿真
曹春芳，孑Ｌ庆忠
（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特０１００５１）
摘要：利用三维实体建模软件Ｐｒｏ／Ｅ建立五自由度机械手的实体模型，并导入多体系统动力学仿真软件ＡＤＡＭｓ中对其
关键诃：啪；ＡＤＡＭｓ；机械手；运动学仿真 进行运动学仿真分析，使机械手整个运动过程直观化并对机械手的动力学分析及控制奠定了基础。
物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直 到获得系统级的优化方案，缩短开发周期。
由于ＡＤＡＭｓ的建模功能并不强大，只能建一 些简单的模型。所以本文先采用专业的ｃＡＤ软件 Ｐｒｏ／Ｅ建立机械手的机构模型，然后通过 Ｍｅｃｈａｌｌｉｓｎｌ／Ｐｒｏ接口模块导入ＡＤＡＭｓ中进行运动 学仿真。整个仿真流程如图１所示。
在这里我们测量手部末端ｗＡＮ３随时间的位移 变化，得图６所示曲线图。图６中可以清楚地看到 机械手臂全部位移大部分集中在第一秒内，也就是 说，要腰关节，肩关节，肘关节的旋转已经基本达 到所需位置。而腕部的滚转、俯仰两关节的作用是 对手部姿态做调整，位移的变化并不大。图７为机 械手末端速度变化曲线图，可以看到与实际情况是 非常吻合的。
２００２
万方数据
１．２ ＡＤＡＭＳ仿真模型等效转换
我们利用Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＤＡＭｓ软件的接口 ＭｅｃｈａｎｉｓⅡ１／Ｐｍ，将机构模型转入ＡＤＡＭｓ中。由于 Ｍ，Ｐｒｏ和ＡＤＡＭｓ来自两个不同的公司，两者间属
“有缝连接”，两者问不同的图形格式在转换时一 些图形元素可能会丢失，此时需要返回作相应的修 改，进一步完善模型。确保无误后添加约束及驱动。 对于本论文中的机械手主要包括固定副，关节的旋 转副及驱动。各部件的约束关系尽可能与实际系统 相一致，最终形成系统的虚拟样机。此时的样机包 含两部分，一部分为大地（固定件）模型，另一部 分为运动件模型。各关节的连接关系可以在ＡＤＡＭＳ 的信息窗口中看到，如图３所示。接下来就可以进 行仿真分析了。
ｃｌｅａｒｌｙ ｖｉｓｉｂｌｅ．Ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｒｅｆｅｒｅｄ ｂｙ ｍｅ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａＩｌｄ ｃｏｎｔｍｌ ｏｆ ｍｅ ｒｏｂｏｔ．
Ｋｅｙ ｗｏＩ．ｄｓ：Ｐ艘；ＡＤＡＭＳ；ｒｏｂｏｆ；垴ｎｅｍａｔｊｃｓ ｓｊｍｕｌａｔｊｏｎ
随着科学技术的发展，机械手已经广泛应用于 各个领域，将操作人员从繁重、单调、重复的体力 劳动中解放出来。特别是在高温、危险、有害的作 业环境（放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、 强噪声等）中，可用机械手代替人的部分操作。在 铸造、锻造、冲压、切削加工、喷漆、装配等各种 工艺过程中都已用到机械手。这不仅大大提高了生 产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产 品质量，可以说工业机器人的应用对工业的发展起 到了巨大的推动作用。因此，对于机械手的分析研 究是非常有意义的。本文主要对一个五自由度机械 手的运动在虚拟环境下作了分析。
Ｚ奄。Ｊ口山
图８腕部俯仰关节驱动力
３结束语 通过对五自由度机械手的运动学仿真分析，使
机械手的整个运动过程直观明了，同时测量了手部 末端的位移、速度随时间的变化曲线，及腕关节的 驱动力。对机械手的轨迹规划及其控制奠定了基础。
参考文献：
【１］郑建荣．ＡＤＡＭｓ虚拟样机技术入门与提高［Ｍ】．北京：机械工业出 版社，２００５． 【２］苏厚合，黄圣杰，林佩玲．ＰＲＯ／ＥＮＧＩＮＥＥＲ２０００ｉ入门教程【Ｍ］．北 京：清华大学出版社，２００１． 【３】李军，邢俊文，覃文浩．ＡＤＡＭｓ实例教程【Ｍ】．北京：北京理工大 学出版社，２００２． 【４］柳洪义，宋伟刚．机器人技术基础［Ｍ】．北京：冶金工业出版社，
ＡＤＡＭＳ （Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｄｙｎａｍｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）是目前应用比较广泛的虚拟样 机技术软件。所谓虚拟样机技术是一种在获得物理 样机之前，允许技术人员使用系统仿真软件，在各 种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各 种工况下运动和受力情况进行仿真分析，观察并试 验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上 方便地修改设计缺陷，快速分析多种方案，进行对