CN103778301A - 一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法 - Google Patents

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罗元
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蔡军
刘想德
蒲兴成
谢颖
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Abstract

本发明公开了一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，属于机械臂仿真技术领域。该方法包括以下步骤：步骤一：在三维建模软件中建立机械臂的三维实体模型；步骤二：将所建立的三维实体模型导入到机械***动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料类型、运动约束和力的相关参数，搭建机械臂虚拟样机的仿真分析平台；步骤三：对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。本发明所述仿真方法客服了传统方法的不足，将运动学分析、动力学分析、轨迹规划以及三维可视化有机的结合在一起，为机械臂物理样机的设计、研发和应用提供了可靠的依据。

Description

一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法
技术领域
本发明属于机械臂仿真技术领域，涉及一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法。
背景技术
随着机械臂研究的不断深入，机械臂仿真技术作为机械臂研究领域中的一个重要部分，不仅能为机械臂的设计与研发提供安全可靠、灵活方便的分析工具，而且能对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。机械臂仿真技术应用在机械臂技术研究的很多方面，例如，为研究人员分析研究机械臂的机械结构方案提供参考依据；了解机械臂工作空间和工作极限；用于检验分析轨迹规划和作业路径的正确性与合理性；为研究离线编程技术提供有效的验证手段；可以实现对机械臂的控制***进行编程指导；能够对机械臂的运动误差进行调试；验证运动控制***的正确性；降低控制***的设计难度和缩短机械臂的开发周期等。总而言之，计算机仿真技术在机械臂的研制、设计、开发和应用中正起着越来越重要的作用。同时，仿真试验结果也为生产制造机械臂提供了有效的参考和依据。
在当前的机械臂仿真技术领域里，机械臂仿真越来越趋向于数字化设计，但是在这一方面机械臂仿真还存在以下不足：
首先，机械臂仿真只集中于***功能及研究范围某一方面。目前，机械臂仿真的研究方向主要集中于某一方面，一类将重点集中在机械臂实体几何建模以及三维图形可视化方面，降低了机械臂仿真的集成性；另一类则是将重点集中于***在运动学与动力学的软件实现上，而仿真的目的不在于此，仿真的目的是***的仿真分析结果及结果对机械臂性能的影响方面；所以机械臂仿真***急需拓展和整合***功能。
其次，在以往机械臂仿真的过程中，通常是利用常用的编程语言建立仿真平台，对机械臂进行建模、运动学及动力学分析及计算、设计优化等方面的工作。这种建模方法计算量大、过程复杂、费时费力、而且对编程能力要求很高，并且所建立的仿真平台通用性不强，在建立不同的仿真模型通常需要搭建不同的仿真平台，其适应性不强。
再次，针对于不同的研究内容，不同的机械臂仿真***之间的关联性程度低、关系不够集中、集成性较差,又由于没有统一的数据交换平台，大大降低了仿真***不同部分之间的仿真及分析结果相互之间的利用率，对建立完整通用的机械臂仿真***造成了障碍。
虚拟样机(VirtualPrototype)是当前设计制造领域的一门新兴技术，该技术在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境，在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。虚拟样机技术以机械***运动学、动力学和控制理论为核心，整合基于图形的用户界面技术和成熟的三维计算机图形技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。虚拟样机是一种计算机模型，它能够很直观表现产品的实际特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。运用***仿真软件真实的模拟机械***在各种各样的虚拟环境中的运动，并对其在各种工况下受力情况和运动情况进行仿真分析，然后观察各个组成部件的互相运动情况并对其进行实验。
借助于虚拟样机技术，研究设计人员可以在计算机上建立机械***的几何实体模型，对其进行三维可视化处理，很方便的模拟在多种不同的虚拟环境下机械***的运动情况和动力特性，快捷的分析对比多种方案，避免因多次进行物理实验所需要投入的风险及时间，减少物理样机的单机制造的高额成本，有着物理样机无法比拟的优势，并根据仿真结果分析和优化机械***。由美国MSC公司设计和开发的机械***动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)能够将上述所有工作有机地结合起来，不但很好的提高了工作效率，而且ADAMS自身具有方便的可视化功能，其接口能够无缝的与多种绘图软件及分析软件建立连接。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，利用三维参数化建模软件绘制出机械臂三维实体模型，将模型导入到ADAMS中，通过添加运动约束和驱动等条件搭建起虚拟样机的仿真环境，对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，包括以下步骤：步骤一：在三维建模软件中建立机械臂的三维实体模型；步骤二：将所建立的三维实体模型导入到机械***动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料类型、运动约束和力的相关参数，搭建机械臂虚拟样机的仿真分析平台；步骤三：对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。
进一步，在步骤三中，规划机械臂末端执行器沿着事先设定的路径运动，在规划好机械臂的运动轨迹后，通过Matlab编程计算得到各关节运动轨迹数据并导入到机械***动态分析软件中生成样机各关节样条驱动函数，最后进行仿真分析，对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。
机械臂关节转动的时候出现骤停或突然启动，给机械手臂控制带来了不确定性，本发明在机械臂路径控制上，规划机械臂末端执行器沿着事先设定的路径运动，在规划好机械臂的运动轨迹后，通过Matlab编程计算得到各关节运动轨迹数据并导入到ADAMS中生成样机各关节样条驱动函数，最后进行仿真分析，对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。
进一步，在搭建好的机械臂的虚拟样机仿真平台下，删除各关节的驱动，用一般点驱动定义机械臂末端参考点的轨迹曲线的参数方程，添加点驱动后进行仿真得到机械臂各关节的运动曲线。
进一步，步骤一中所述的三维建模软件包括Pro/E、SolidWorks、CATIA。
进一步，在步骤二中，机械***动态分析软件采用ADAMS。
本发明的有益效果在于：本发明所述仿真方法将运动学分析、动力学分析、轨迹规划以及三维可视化有机的结合在一起，为机械臂物理样机的设计、研发和应用提供了可靠的依据。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为搭建机械臂虚拟样机的仿真平台的流程图；
图2为笛卡尔空间轨迹规划原理图；
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为搭建机械臂虚拟样机的仿真平台的流程图，如图所示，本方法包括以下步骤：1）在三维建模软件中建立机械臂的三维实体模型；2）将所建立的三维实体模型导入到机械***动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料类型、运动约束和力的相关参数，搭建机械臂虚拟样机的仿真分析平台；3）对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。
在本实施例中，三维建模软件采用Pro/E、SolidWorks或CATIA，机械***动态分析软件采用ADAMS。
传统的轨迹规划方法实质上是位姿反解问题，即求出机械臂的位姿反解方程（驱动输入关于位姿输出的函数），然后再将机械臂末端执行器的运动轨迹方程代入反解方程，从而得到与该运动轨迹相对应的各驱动关节的驱动参数。利用ADAMS软件进行轨迹规划可不必再进行位姿反解。具体为：1）将机械臂末端参考点的轨迹曲线的参数方程作为点驱动的参数，若参数方程数目小于自由度数目，需要对多余的运动参数进行限制。2）添加驱动并仿真后利用后处理得到各驱动关节的运动输入的曲线，再利用Spline工具对曲线采集数据样点，作为驱动输入的参数。3）删除前面添加的一般点驱动，然后在各驱动关节上添加驱动，修改驱动参数为样条函数驱动。
在本实施例中，机械臂由6个选择关节和6根连杆组成，根据D-H表示法，给六自由度串联机械臂建立连杆坐标系，并填写机械臂各关节的D-H参数表。
Matlab中的Roboticstoolbox工具箱提供了的函数包括：正逆运动学的求解、轨迹规划等，也可用来进行析机械臂正逆动力学分析。由于机械臂运动学求正逆解的运算量大，计算复杂，因此采用MatlabRoboticstoolbox提供的求正逆解函数，给定输入即可快速获得输出，能快速计算正逆解，为机械臂运动控制打下基础。首先要建立机械臂模型，然后才能对其求正逆解。要建立机械臂对象，根据前面建立的D-H参数表，采用RoboticsToolbox工具箱中的link和robot函数来建立机械臂对象。
如图2所示，在笛卡尔空间中，应用机械臂轨迹规划的插补算法可求得中间点，再通过机械臂逆运动学将这些插补点的位姿转换为机械臂对应的各关节角，最后由所求的各关节角度控制机械臂末端沿着规划的轨迹运动。空间直线和圆弧是笛卡尔空间轨迹规划中最常见的形状，因为空间中许多非直线非圆弧的轨迹够可以用直线或圆弧的插补来逼近。
在Pro/E中绘制的六自由度机械臂各主要零部件，机械臂的样机模型结构由底座、腰部、大臂、小臂、手碗、末端执行器部件等及其特性参数组成，在完成六自由度机械臂各零部件的三维实体模型的基础上，对虚拟样机进行装配可以得到六自由度机械臂的虚拟样机模型。然后将建立的模型以通用格式(Parasolid)导入到ADAMS中，创建了模型以后，需要添加约束，定义各零部件之间的相对运动。为了模拟机械臂的实际运动情况，需要用约束来限制和定义虚拟样机中各零部件的位置和运动。具体的步骤如下：
(1)修改构件名称
(2)指定构件的材质
(3)简化样机的模型
(4)添加约束
(5)添加摩擦
(6)建立关节角度传感器。
将前面在笛卡尔空间中进行直线轨迹规划得到各关节运动轨迹数据导入到ADAMS中生成样机各关节样条驱动函数。最后进行仿真分析，对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：在三维建模软件中建立机械臂的三维实体模型；
步骤二：将所建立的三维实体模型导入到机械***动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料类型、运动约束和力的相关参数，搭建机械臂虚拟样机的仿真分析平台；
步骤三：对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，其特征在于：在步骤三中，规划机械臂末端执行器沿着事先设定的路径运动，在规划好机械臂的运动轨迹后，通过Matlab编程计算得到各关节运动轨迹数据并导入到机械***动态分析软件中生成样机各关节样条驱动函数，最后进行仿真分析，对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。
3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，其特征在于：在搭建好的机械臂的虚拟样机仿真平台下，删除各关节的驱动，用一般点驱动定义机械臂末端参考点的轨迹曲线的参数方程，添加点驱动后进行仿真得到机械臂各关节的运动曲线。
4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，其特征在于：步骤一中所述的三维建模软件包括Pro/E、SolidWorks、CATIA。
5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，其特征在于：在步骤二中，机械***动态分析软件采用ADAMS。
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