1、機械系統(tǒng)動力學(xué)簡化串聯(lián)機器人的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析學(xué) 院： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生 姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo) 教師： 完成 日期： 2015.01.09 摘要在機器人研究中，串聯(lián)機器人研究得較為成熟，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、控制簡單、運動空間大等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域。本文在ADAMS中用連桿模擬兩自由度的串聯(lián)機器人（機械臂），對其分別進(jìn)行運動學(xué)分析、動力學(xué)分析。得出該機構(gòu)在給出工作條件下的位移、速度、加速度曲線和關(guān)節(jié)末端的運動軌跡。關(guān)鍵詞：機器人；ADAMS；曲線；軌跡 一、ADAMS軟件簡介ADAMS，即機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析(Automatic Dyna

2、mic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.) (現(xiàn)已并入美國MSC公司)開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經(jīng)被全世界各行各業(yè)的數(shù)百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入

3、載荷等。二、簡化串聯(lián)機器人的運動學(xué)仿真（1）啟動ADAMS/View。在歡迎對話框中選擇新建模型，模型取名為robot，并將單位設(shè)置為MMKS，然后單擊OK。（2）打開坐標(biāo)系窗口。按下F4鍵，或者單擊菜單【View】【Coordinate Window】后，打開坐標(biāo)系窗口。當(dāng)鼠標(biāo)在圖形區(qū)移動時，在坐標(biāo)窗口中顯示了當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置的坐標(biāo)值。（3）創(chuàng)建機械臂關(guān)節(jié)1（連桿）。單擊連桿按鈕 ，將其的長、寬、深選項，設(shè)置為300mm、40mm、10mm，如圖2.1所示。在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵，然后將連桿拖至水平位置時，再單擊鼠標(biāo)左鍵。 圖2.1 創(chuàng)建連桿 圖2.2 創(chuàng)建孔 （4）在連桿的右端打孔。在幾何建

4、模工具欄單擊打孔按鈕 ，將半徑Radius設(shè)置為10mm，深度設(shè)置為10mm，如圖2.2所示。然后在圖形區(qū)模型附近單擊鼠標(biāo)左鍵，在與XY平面垂直的表面上單擊鼠標(biāo)左鍵。然后修改孔的位置，【HOLE_1】【Modify】，在彈出的對話框中，將Center的坐標(biāo)值設(shè)置成（300，0.0，5.0）（5）創(chuàng)建關(guān)節(jié)2。用（3）的方法在關(guān)節(jié)1右端孔中心處創(chuàng)建關(guān)節(jié)2，如圖2.3所示。然后再將關(guān)節(jié)2向內(nèi)側(cè)平移10mm。圖2.3 機械臂模型（6）添加約束。在關(guān)節(jié)1的左端與大地之間添加轉(zhuǎn)動副，在關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2結(jié)合處添加轉(zhuǎn)動副。單擊工具欄中的旋轉(zhuǎn)副按鈕，并將創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副的選項設(shè)置為2Bod-1Loc和Normal Gr

5、id，然后在圖形區(qū)單擊關(guān)節(jié)1和大地，之后需要選擇一個作用點，將鼠標(biāo)移動到關(guān)節(jié)1的Marker1處出現(xiàn)center信息時，按下鼠標(biāo)左鍵后就可以創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)副的軸垂直于工作柵格。然后用同樣的方法創(chuàng)建關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2之間的旋轉(zhuǎn)副，如圖2.4所示。圖2.4 創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副（7）添加驅(qū)動。在運動副1（Joint1）和運動副2（Joint2）上分別添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。單擊主工具欄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動按鈕 ，然后在選擇上面創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副1，然后在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中中選擇Modify，在編輯對話框中將驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為30d*sin(time)，如圖2.5所示。用同樣的方法在旋轉(zhuǎn)副2上創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，并將驅(qū)動函數(shù)設(shè)置為2

6、0d*time*(-1)。圖2.5 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（8）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設(shè)置為Kinematic，仿真時間End Time設(shè)置為20，仿真步數(shù)Steps設(shè)置為500，然后單擊運行按鈕進(jìn)行仿真計算。（9）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇關(guān)節(jié)2右端點Marker4，再選擇關(guān)節(jié)1與大地的鉸接點，鼠標(biāo)移動到Joint1處，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運動軌跡，如圖2.6所示。圖2.6 機器人末端運動軌跡（10）結(jié)果后處理。按下鍵盤上的F8鍵，界面將從View模塊直接進(jìn)入到PostPro

7、cess模塊，后處理模塊界面如圖2.7所示。圖2.7 后處理模塊界面（11）后處理模塊界面在后處理模塊，通過菜單【View】【Load Animation】可以載入動畫。在仿真動畫中可以播放兩種動畫，一種是在時間域內(nèi)進(jìn)行的運動學(xué)和動力學(xué)仿真計算動畫；另一種是在頻率域內(nèi)的，播放通過現(xiàn)行化或者在震動模塊中的計算模型的振型動畫。單擊播放按鈕后開始播放動畫，如果在播放同時按下記錄按鈕，在播放動畫的同時也將動畫保存到動畫文件中，動畫文件位于ADAMS的工作目錄下。在后處理模塊中，通過菜單【View】【Load Plot】，通過選擇相應(yīng)的選項，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。如果2.8、2.9、2.10所示，分別繪

8、制出機械臂末端點的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。圖2.8 機器人末端位移曲線圖2.9 機器人末端速度曲線圖2.10 機器人末端加速度曲線三、串聯(lián)機器人的動力學(xué)分析（1）創(chuàng)建機械臂模型。按照二中（1）（6）步創(chuàng)建同樣的機械臂，并添加運動副約束。（2）添加驅(qū)動。與運動分析不同，動力學(xué)分析添加的驅(qū)動為單分量力矩。單擊工具欄上的單分量力矩選項，將選項設(shè)置為Space Fixed、Normal to Grid和Constant，然后勾選Torque項并輸入3800，然后在圖形區(qū)單擊關(guān)節(jié)1，再在其上單擊任何一點。用同樣的方法添加關(guān)節(jié)2的驅(qū)動，并將其值設(shè)置為-120。圖3.1 添加驅(qū)動單分量力矩（3）運動

9、學(xué)計算仿真。單擊菜單【Simulate】【Iteractive Controls】，打開交互式仿真控制對話框，在對話框中將仿真時間End Time設(shè)置為2，仿真步數(shù)Steps設(shè)置為500，仿真類型Type設(shè)置為Dynamic，單擊仿真計算按鈕，觀看仿真動畫，模型將在重力和驅(qū)動力矩作用下運動。（4）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇關(guān)節(jié)2右端點Marker4，再選擇關(guān)節(jié)1與大地的鉸接點，鼠標(biāo)移動到Joint1處，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運動軌跡，如圖3.2所示。圖3.2 機器人末端運動軌跡（5）結(jié)果后處理。在后處理模塊，通過菜單【View】【Load Animation】可以載入動畫。單擊播放按鈕后開始播放動畫，在播放同時按下記錄按鈕，將動畫保存到動畫文件中。在后處理模塊中，通過菜單【View】【Load Plot】，通過選擇相應(yīng)的選項，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。如果3.3、3.4、3.5所示，分別繪制出機械臂末端點的位移曲線、速度曲線和加速度曲線。圖3.3 機器人末端位移曲線圖3.4 機器人末端速度曲線圖3.5 機器人末端加速度曲線四、小結(jié)及心得運用ADAMS通過以上過程對兩自由度串聯(lián)機器人進(jìn)行了仿真分析，得出相應(yīng)的位移、速度、加速