SolidWorks与运动仿真

伐根清理机器人工作装置的运动是由动臂液压缸
和 机 器 人 手 腕 液 压 缸（ 原 转 斗 液 压 缸） 分 别 驱 动 的 ， 按 照伐根清理机器人的工作要求， 机器人的工作分行驶、 抓 根 、旋 切 进 给 和 拔 根 提 起 四 个 主 要 状 态 。其 运 动 仿 真 原理为： 设 ｌ、ｍ 分别为动臂液压缸伸缩臂和机械手 腕 液压缸伸缩臂的移动距离， 与装载机初始状态不同的 是， 初始状态下动臂是处于提升状态的， 原因是机器人 的高度要远大于铲斗的高度， 所以机器人的底部应离 开地面一定的距离， 以避免行驶时碰到障碍物。依据机 器人的工作状态来设定 ｌ、ｍ 变化值， 以 ０ 为 界 ， 大 于 ０ 时代表液压臂伸出， 小于 ０ 时则代表其收回。实际工作 中 ｌ 是随 ｍ 变化的， 即动臂和机械手臂是联动的， 联动 的原则是机器人的中轴线必须与伐根的中轴线重合， 这样才能保证旋切筒能够准确地罩在伐根上。ｌ 变化改 变的是机器人的垂直高度， ｍ 变化改变的则是机器人 中轴线与伐根中轴线的角度。按照以上原理， 机器人的 分解运动仿真设定原则如下 （ 以伐根所在地表为水平 地面为例） 。
关键词： 伐根清理机器人； 虚拟设计； 运动仿真； ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 中图分类号： ＴＰ２４２．３ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００１－ ４４６２（ ２００７） １１－ ００３３－ ０４
Ｔｈｅ Ｖｉｒ ｔｕａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｍｏｔｉｏｎ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔ ｏｆ Ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ Ｔｒ ｅｅ Ｓｔｕｍｐ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｏｌｉｄＷｏｒ ｋｓ
图 ４ 伐根清理机器人整体建模效果图
２ 伐根清理机器人整体工作装置的虚拟运动仿真 工作装置的运动仿真主要是指模拟工作装置
的每一运动时刻， 其各个机构根据几何约束关系， 呈 现在空间的位置及状态， 由此验证其设计的合理性。 ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ２００６ 软 件 是 与 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软 件 无 缝 集 成的 ＣＡＥ 应用插件， 是一个全功能运动仿真软件。其可 用于建立运动机构模型， 进行机构的干涉分析， 跟踪零 件 的 运 动 轨 迹 ， 分 析 机 构 中 零 件 的 速 度 、加 速 度 、作 用 力 和 力 矩 等 ， 并 可 用 动 画 、图 形 、表 格 等 多 种 形 式 输 出 结果， 其分析结果可指导修改零件的结构设计和调整 零件的材料。设计的更改可以实时地反映到装配体模 型中， 重新进行分析后再进行修改， 直至确定最终的优 化方案。
①行驶状态： ｌ、ｍ 为 ０ （ 为减小机器人碰撞的几率， 必要时可将机器人靠向车体方向收回一定角度， 以增 加机器人的离地间隙） 。
②抓根状态： ｌ 减小、ｍ 增大， 动臂下降， 机械手腕液 压臂伸长调整机器人中轴线与伐根中轴线的角度， 至 机器人将伐根上部罩住， 两轴线重合为止。
③旋切进给状态： 此时机器人旋切筒转动， 旋切刀 开始切割伐根的侧根， ｌ 进一步减小降低机器人的高 度， ｍ 也进一步增大保持两轴的重合， 至侧根全部被切 断为止。
对于要求具有活动能力的连接处， 利用标准件库 建立相应的连接销轴， 单独进行配合装配， 装配时严格 要求轴孔的同心度， 否则无法实现仿真运动， 同时这也 是 对 整 个 机 构 设 计 的 检 验 过 程 。如 果 尺 寸 设 计 不 合 理 ， 零部件之间将会配合不上或因相互约束而被定义锁 死， 这与采用物理样机试验所产生的结果基本吻合， 由 此也就避免了物理样机试验造成的材料和时间的浪 费。经装配调整后， 新的伐根清理机器人整体建模效果 图如图 ４ 所示。
１ 伐根清理机器人和行走底盘的建模
１．１ 伐根清理机器人的三维建模
束和尺寸驱动等参数化特征建模的设计功能， 利用底 盘的实际尺寸直接进行三维建模， 这样大大节省了建 模时间， 建模过程效果直观 ， 且 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２００７ 软件对 特征的智能识别能力强， 支持鼠标动态拖动， 能够实时 直观地查看各关节的自由度和活动特征， 这些都为日 后进行动态仿真做好了前期的准备工作。由于底盘建 模的主要目的是在设计中表现整体的效果， 所以在底 盘建模时对不必要的特征作了简化， 最终的建模效果 图见图 ２。
收稿日期： ２００７－ ０８－ ０３ 基金项目： 国家高技术研究发展计划（ ８６３ 计划） 项目（ ８６３－
５１２－ ０３－ １１） —新型智能伐根清理机器人的研究
时得到了国家林业局的资助， 现已成功地研制出实体 样机一台并通过了实地检测， 申请了两项国家专利。
随着国情与林情的发展， 对经济效益和环境适用 性的要求越来越高， 先期的试验产品采用的行走底盘 为 ＷＹ－ ６０ 型挖掘机的底盘， 虽然其具有可操纵性强、 通 过 性 高 等 优 点 ， 但 其 存 在 购 价 昂 贵 、维 护 费 用 高 、地 表破坏严重等缺点， 影响了伐根清理机器人的推广使 用。本文通过虚拟设计的方法， 利用计算机三维仿真技 术， 在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２００７ 软件平台下将伐根清理机器人 行走底盘更换为常林股份有限公司生产的 ＺＬ３０Ｈ 轮式 装载机底盘， 并依据新底盘及机械连接臂的情况重新
图 ３ 改进后的机械手臂总装效果图
３４
２００７ 年 第 １１ 期
第 ３５ 卷
林业机械与木工设备
设计计算
机械手臂总装效果图见图 ３。 １．４ 机器人模型的整体总装
完成各部分主要装配体的装配后， 在软件平台上 建立一个单独的装配体文件， 以底盘装配体为主体先 行插入固定不动， 然后依次插入机器人机械手臂工作 装置态， 使之处于工作初始状态 （ 行驶状 态） 。
由于新型智能伐根清理机器人整体技术已经十分 成熟， 所以这里直接利用伐根清理机器人零部件的 ＣＡＤ 图纸在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２００７ 软件里逐一建模， 将全部 零 部 件 分 类 装 配 成 箱 体 、抓 具 、切 削 筒 和 刀 具 四 个 主 要 装配体。虽然本次建模并未要求对伐根清理机器人进 行运动仿真， 但为了今后的研究需要， 还是按照能够进 行虚拟仿真运动的要求进行零部件装配。其主要活动 部 分 为 旋 切 筒 、机 械 抓 手 、机 械 抓 手 液 压 缸 、箱 体 液 压 马达及其带动的齿轮组。伐根清理机器人总装配时， 以 箱体为基础进行虚拟样机模型装配， 先插入箱体装配 体作为固定件， 然后按照自上向下的设计原则， 依次插 入其他装配体， 在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２００７ 下三维建 模的效果 图如图 １ 所示。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ， ｖｉｒｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｏｆ ｅｘｃａｖａｔｉｎｇ ｔｒｅｅ ｓｔｕｍｐ ｗａｓ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｂｙ ｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙ ｕｓｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ ｖａｒｉａｂｌｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｏｐ－ ｄｏｗｎ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ． Ｉｎ ｃａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｗａｓ ｃｈａｎｇｅｄ， ｔｈｅ ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ２００６ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｐｅｒｆｏｒｍ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｒｍ， ｂｙ ｔｈｉｓ ｗａｙ ｔｈｅ ｕｓｅａｂｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｎｅｗ ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ ｗａｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ， ａｎｄ ｉｎ ｆａｖｏｒ ｏｆ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｅｘｐｌｏｉｔｉｎｇ ｃｏｓｔ．
图 １ 伐根清理机器人三维建模效果图
１．２ 行走底盘的三维建模
图 ２ ＺＬ３０Ｈ 装载机底盘三维建模效果图
１．３ 机械手臂的三维建模
采用新的行走底盘后， 原有的机械手臂变化较大， 但主要是结构上的变化。原来的机械手臂是具有六自 由度的单臂开链式六连杆机构， 而现在的工作装置则 是由运动相互独立的连杆工作装置和动臂举升工作装 置两部分构成， 可看作是反转的六连杆机构， 因此， 按 照设计要求， 去掉原有铲斗后， 将控制铲斗的转斗液压 缸作了调整， 使之成为正转的六连杆机构， 并增加了新 的连接杆、支撑架和连接头 （ 三者构成机器人手腕部 分） 。在完成装配后， 通过鼠标拖动各机械臂观察各自 的活动性能， 初步证实其活动自由度能够满足伐根清 理机器人对机械手臂控制功能的基本要求。设计建模 过 程 中 ， 为 保 证 今 后 生 产 的 经 济 性 ， 原 来 的 前 车 架 、动 臂、动臂液压缸和转斗液压缸均未改动， 只有摇臂和拉 杆根据伐根清理机器人的控制要求作了修改， 其活动 和控制能力将在虚拟仿真过程中加以验证。改进后的
林业机械与木工设备
设计计算
基于 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 的伐根清理机器人 虚拟设计与运动仿真
魏占国 １， 刘晋浩 ２ （ １．东北林业大学， 黑龙江 哈尔滨 １５００４０； ２．北京林业大学， 北京 １０００８３）
摘 要： 通过使用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件的机械系统虚拟设计和运动仿真的基本方法， 综合运用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 的参数 化、变量化建模技术以及自上向下的设计思路， 完成伐根清理机器人及其行走底盘的虚拟建模， 并对由于行走底盘 的改变而重新设计的接口和机械臂采用最新的 ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ２００６ 软件进行了运动仿真和参数优化， 以确定其机 构可用性，有利于缩短产品的开发周期和减少开发费用。
第 ３５ 卷
３３ ２００７ 年 第 １１ 期
设计计算
林业机械与木工设备
设计机器人与行走底盘机械臂的接口， 利用 ＣＯＳＭＯＳＭｏｔｉｏｎ２００６ 软件对模型进行了运动仿真， 对新 设计的接口和机械臂进行了仿真运动测试及参数优化， 省去了设计制造样机、进行反复试验及修改设计的环 节， 大大缩短了研发周期， 降低了研发费用， 对新产品的 开发具有重大意义。