基于ADAMS的机械手臂运动仿真分析

　　0　引言

　　随着计算机技术和加工制造业的飞速发展,机器人技术的发展速度越来越快,其智能化程度越来越高,已经应用并扩展到经济发展的诸多领域,成为现代生产和高科技研究中的一个不可或缺的组成部分。目前,随着机器人技术研究领域的不断发展,机器人计算机仿真系统作为机器人设计和研究的灵活方便的工具,发挥着重要的作用。机器人计算机仿真系统在机器人技术研究的许多方面都有应用[1]。

　　ADAMS软件具有十分强大的运动学和动力学分析功能,但由于ADAMS的建模能力相对薄弱,前处理模块中的几何建模功能不强,无法完成复杂模型的建模,因此降低了结构分析结果的可信度。作者利用基于特征的参数化设计软件Pro/E建立五自由度的机械手臂结构并赋予与实际相应的各种属性,然后利用Mechanism/Pro模块将虚拟样机模型导入到ADAMS环境下,进行运动学仿真分析,并根据D-H方法对其进行数学模型的建立,进行正向运动学和逆向运动学分析,利用仿真结果来验证所建立的机械手臂的运动方程。

　　1　机械手臂的仿真建模

　　1·1　机械手臂的三维模型建立

　　机械手采用Pro/E来进行建模,其Pro/E模型如图1所示。该机械手臂参照人体手臂的结构,采用开链连杆式的关节型结构,分为前臂、上臂、手腕和手爪等结构,以及能够旋转的腰关节、肩关节、肘关节、腕关节和手爪关节。机械手臂拥有5个自由度,但由于机械手臂可以安装在移动的车体上而增加额外的自由度,故总体自由度为6以上,使手臂末端执行器能实现空间中的任何位姿。

　　1·2　机械手臂虚拟样机的建模

　　在Pro/E中利用Mechanism/Pro对零件进行合并和刚体定义后,就可以传递到AD-AMS环境中进行约束的定义。为了更好地对零件进行后续操作,可以把零件改成相应的名字,然后添加运动副约束、基本约束或运动约束,施加相应的载荷。在添加约束的时候,需要把基座和地(Ground)用锁定约束进行连接,这样模型才能进行正确的仿真。图2和图3分别是在ADAMS中建立的机械手臂的虚拟样机模型和作者所设计的具有五自由度机械手臂的机器人实物图。

　　2　连杆坐标系与运动学分析

　　D-H法[2]由Denauuit和Hartenbery于1956年提出,它严格定义了每个坐标系的坐标轴,并对连杆和关节定义了4个参数,是对机器人连杆和关节建模的一种非常简单的方法,可用于很多机器人的构型。利用D-H方法对设计的五自由度的机械手臂建立各连杆的坐标系,如图4所示。由连杆坐标系统确定了连杆的D-H参数和各个关节的变量如表1所示。