基于ADAMS的工业机器人运动学分析和仿真

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工业机器人是人类在二十世纪的重要工业技术发明，它的出现是为了适应制造业规模化生产，解决单调 、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业，特别是在高温 、危险和有害的作业环境中，工业机器人得到了日益广泛的应用。它不仅提高了生产效率，还大大促进了工厂自动化发展，为人类高柔性化 自动化生产提供了技术和设备的保证。

机器人仿真技术为机器人的设计和研究提供了-种便利工具和高效实验手段，是机器人研究领域的-个重要组成部分。机器人仿真技术的研究大大提高了机器人研制的水平，能节省大量的经费和精力，并为机器人结构的优化设计提供有力的依据 u。因此，对工业机器人进行运动学仿真和分析是非常有意义的。

2机器人的机械本体结构以具有6个自由度的M-lOiAT业机器人为研究对象，由机身、臂部 、手腕和手部 4部分组成，基本结构，如图 1所示。其 6个自由度分别为 腰部回转运动， 大臂俯仰运动，J3小臂俯仰运动， 手臂回转运动， 手腕俯仰运动， 手腕回旋运动。

图 1工业机器人基本结构Fig.1 The Basic Structure of Industrial Robots机器人的运动由臂部和手腕的运动组合而成，通常臂部的 3个关节，用于改变手腕参考点的位置，实现定位功能；手腕部分的3个关节，用来改变末端操作器的姿态，是为定向机构 。

3机器人数学模型的建立为了研究机器人的运动学，首先要对机器人建立数学模型。

在建立数学模型时 ，选用经典的 D-H法则 ，D-H法则是由来稿日期：2012-07-04作者简介：朱华炳，(1963-)，男，安徽怀宁人，教授，博士，主要研究方向：机电-体化装备设计与制造，制造系统工程理论及应用技术第 5期 朱华炳等：基于ADAMS的工业机器人运动学分析和仿真 205Denavit和 Hartenberg在 1955年提出的-种在关节链中每-杆件建立附加坐标系的矩阵方法 ，通过(4x4)齐次变换矩阵来描述机器人各杆件相对于参考坐标系的空间几何关系，从而推导出连杆的位姿 。

3.1 D-H连杆坐标系的建立机器人有 6个转动关节和 6个连杆，在此，只考虑前3个决定末端位置的转动关节，而不考虑后 3个决定末端姿态的腕部关节。把简化后的机器人构件 L3的末端点 0 (0 ，0 )设为机器人的末端位置点，它可以运动在机器人运动范围内的任-点。基座称为连杆 0，基座 与连杆 1通过关节 1连接，连杆 1与连杆 2通过关节 2连接，这样以此类推.对简化的机器人模型建立的连杆坐标系，如图 2所示。

图 2连杆坐标系Fig 2 Connecting Rod Coordihate System根据所建立的连杆坐标系，相应的连杆参数的含义如下(1)连杆长度 L ： ，- 沿 的距离 ；(2)关节扭角 Ot - 绕 的转角；(3)关节变量 ： - 绕 的转角；(4)两连杆之间距离 d .- 沿 的距离。

表 1简化机器人前三个关节的 D-H坐标系参数Tab.1 Simplifying the First Three Joints of theRobot DH Coordinate System Parameters如此，在确定结构参数和关节变量后可求出相邻两杆问的位姿变换矩阵：A，Rot 0。)Trans(Ll，O，0)Rot(x，90。) (1)A 2Rot(z，02)Trans(L2，0，0) (2)A Rot(z，03)Trans fL ，0，0) (3)3.2运动学正解运动学正解，即已知机器人的各关节变量，求解机器人末端的位姿～相邻两杆间的位姿变换矩阵相乘，得到简化后的机器人末端连杆坐标系相对于基座的 71变换矩阵为：TA A 6II，x 0： m P0， nn： 呸0 0 0 1(4)式中：n ：c1C2c3-Cls 3n ic2c3-slszs 3nz--3lc 3C 2s 30 -c lc2s3--C 182c30 1C 2S3- 8182c 30：-s 3c2c3ax.-$j-C 1魄0pL3cIc 3-L3cls2s 3L2clc2Lic1，pL3stc2c3-L3sl 3L2siC2LIsI，p L 3L3c 2s3L2s2。

为了检验所得结果 的正确性，可将图2所示位置的关节变量 Ol-O 0。，0--0，代入 的表达式，计算结果为：1 0 0 L12L3 I0 0 -1 0 I1 0 1 0 0 l0 0 0 1 l这与图2所示的情况完全-致，齐次变换矩阵T是正确的。

4机器人运动仿真分析4.1模型的建立采用ADAMS软件进行建模仿真。ADAMS软件是由美国MDI公司开发的机械系统动力学自动分析软件，可用于模拟真实制造环境，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，以预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载衙等 。分析模型，遵循在满足虚拟样机仿真运动的完整前提下，样机的建立要旧能简化，模型零件数量应该旧能少的原则，利用 ADAMS的通用建模功能来建立模型，省去传动拈、控制拈和感知类拈，只保留主要的运动部件 ，这样得到的样机模型，如图3所示。在各个连杆的合适位置固接-个坐标系MARKER，通过各个 MARKER点的位置得到本模型中相应的 0.3m，L：0.4m，L-O.5m。分析模型的运动特点，在相应的地方添加约束。基座与地面间有 1个固定副，6个关节处分别有 6个旋转副。

图3 ADAMS中建立的样机模型Fig.3 The Prototype Model Established in ADAMS4.2仿真结果及分析以固接在连汗 3的末端点 MARKER-13为研究对象，研究其相对于坐标原点的位置 ，该点与 D-H连杆坐标系4、5、6的坐标原点重合。各个关节的转动速度设置如表 2所示。设置仿真时间为 1s。

206 机械设计与制造No.5May.2013- . 表2各个关节转动速度 5结束语 Tab.2 Each Joint Rotation Speed 。 。

.：- - - - ： . - 。 - · 7.：：- 工业机器人是当今人们的生产生活中必不可少的-部分，在仿真结束后进入后处理界面，结果如图 4，图5所示。图4实线代表 方向的位移，虚线表示 1，方向的位移，点虚线代表z方向的位移。分析该图可以看出，当tO时，MARKER-13处于初始位置， 、y、z方向的位移分别为1.2m、0、0，与实际情况相符；当fls时，MARKER-13处于结束位置， 、l，、z方向的位移分别为0、0.4m、-0.8m，即连 杆 坐标 系 中 的 0、尸：r0.8m、 ：0.4m(ADAMS座标系中的 轴、l，轴、z轴分别对应 D-H连杆基坐标系的 轴、z轴、负 y轴)，与公式(4)中计算结果 、Dv、 是相同的。表明曲线图可以反映真实运动情况。图5中实线、虚线、点虚线分别代表 、y、z方向的速度。由曲线图可知，机器人手臂在整个轨迹运动过程中，速度变化都比较平稳，无剧烈振动现象。

吾毒j瑟 -mxI 江Time(sea)图4 MARKER-13的位移图Fig.4 Displacement diagram of MARKER-13j署 r6 MEA 4 5mPi fonYI ， -6 r 、- ， L .. - -L-、. / 、.. ，， ， .， 、 ～、 /， / 飞 、 ，、 、./ .， t ，l f /、、 ，， 、 l j ， L . -、 V V / ， / ～ /、- / -- 、O0 l 0 2 0 3.0 4.0Time(sec)图5 MARKER-13的速度图Fig.5 Velocity diagram of MARKER-13机器 、设计和制造过程中，机器人仿真技术是-个非常重要环节。

它是机器人运动控制和轨迹规划的基矗利用ADAMS软件建立虚拟样机的模型，能很好地对机器人进行运动学分析，不仅可以直观地观察其真实运动过程，而且可以得到位移、速度、加速度、角度等各方面的响应曲线，从而能迅速发现问题，进而对问题进行优化。另外，用 ADAMS软件也能对机器人进行静力学和动力学分析，从而判断运动方案的合理性。这些信息都可以反馈到机器人设汁制造的过程中去，不仅缩短开发周期，也能大大地节湿发费用和成本。