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基于ADAMS的五自由度机器人运动学仿真


第 21 卷第 6 期 · 开发与创新· 2008 年 11 月

机电产品开发与创新
Development & Innovation of Machinery & Electrical Products

Vol.21,No.6 Nov.,2008

基于 ADAMS 的五自由度机器人运动学仿真
刘宏伟
(南阳理工学院 机电系, 河南 南阳 473004 )



要: 介绍了基于 ADAMS 的五自由度机器人的三维建模方法 , 并用 ADAMS 的运动仿真功能对五自 由度机器人的运 动 特 性进 行 了 仿 真 分 析 , 给 出 了机 器 人 在 典 型 运 动 状 态下 , 手 部 末 端 的 位 移 、 速度及加速度等特性曲线, 为机器人运动控制及优化设计提供参考依据。

关键词: 工业机器人; 5-DOF ; 运动学分析; ADAMS 中图分类号: TP242 文献标识码: A 文章编号: 1002-6673 (2008 ) 06-042-03

0 引言
机器人的运动学性能一直是其设计研究工作的重 点。 对于多自由度串联机器人尽管其运动学正解相对 于其反解要容易计算的多, 但是这项工作往往也需要 进 行 大 量 复 杂 的 矩 阵 运 算,工 作 量 大 且 容 易 出 错 。 借 助

ADAMS 机 械 系 统 动 态仿 真 分 析 软 件 , 可 以 大 大 简 化 以
上 工 作,机 器 人 的 各 运 动 学 与 动 力 学 性 能 可 以 通 过 仿 真 动画和数据图表直观地展现。 本文根据华中科大生产 的 一 台 教 学 型 五 自 由 度 工 业 机 器 人 ,采 用 ADAMS 仿 真 软件建立了该机器人的虚拟样机并进行了运动学仿真 研究。 表 1 五自由度机器人的连杆参数 Tab.1 Link paramecters of 5-DOF robot
杆号 关节转角 θi 扭角 αi 杆长 ai 距离 di 变量范围

1 教学型五自由度工业机器人简介
1.1 五自由度机器人
的连杆参数
由图 1 可 以 看 到 本 教学型五自由度工业 机 器人由底座 、 驱 干 、 大 臂、 小臂、 手 腕 及手 等 部分组成 , 各个 部 分 之 间由腰关节、 肩关节、 肘关节和两个腕关节 相 互连接 。 五个关 节 均 为 转动关节, 分别安装步进驱动电机, 带动机器人的各个 杆件在控制系统的作用下按要求运动轨迹运动, 以实现 末端执行器的装配、 搬运等功能。 其连杆参数见表 1 。
收稿日期: 2008-10-17 作 者 简 介 : 刘 宏 伟 ( 1966 年 - ), 女 , 硕 士 研 究 生 , 副 教 授 。 主要研究方向: 数控技术; 机器人设计与控制。

1 2 3 4 5

θ1 θ2 θ3 θ4 θ5

0° 90° 0° 0° 90°

0 400 300 0 0

370 0 0 60 50

0°~360° -30°~90° -45°~90° -90°~90° -60°~60°

2 机器人运动学
研究 机 器 人 运 动 学 的 重 点 是 其 手 部 的 位 姿 和 运 动 , 一是根据机器人的各关节的转角或位移推算出机器人末 端执行器的位姿; 二是根据机器人末端位姿计算出各个 关节各自的转角或位移。 从运动学的角度讲, 前者是运 动学正问题, 后者是运动学逆问题。

2.1 运动学正解
机器人正向运动学主要解决机器人运动学方程的建 立及手部位姿的求解。 对于本文的五自由度机器人其运 动学方程为:

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T5=A1A2A3A4A5
其 中 : A1、 A2、 A3、 A4、 A5 各 矩 阵 表 示 第 i+1 连 杆 相对于第 i 连杆的齐次变换:

虚拟样机的建立要尽可能地简化模型, 在满足虚 拟样机仿真运动的完整前提下, 模型的零件数量应该 尽可能的少, 多个零件固结时, 只用一个零件表示, 以节省运动副数量。 保留主要的运动部件, 忽略齿 轮, 轴承等细化的部件。 为了保证虚拟样机的准确 性, 各主要部件的空间布局应该与物理样机相当 。 用

A1=Rot (Z0,θ1)Trans (0,0,d1)Rot (x1,a1) A2=Rot (Z1,θ2)Trans (a1,0,0 ) A3=Rot (Z2,θ3)Trans (a2,0,0 ) A4=Rot (Z3,θ4)Trans (0,0,d4)Rot (x4,a4) A5=Rot (Z4,θ5)Trans (0,0,d5)
将上 述 各 参 数 代 入 , 可 求 出 以 θ1~θ5 为 变 量 的 运 动 学 方 程 , 若 给 定 各 关 节 变 量 θ1~θ5 的 位置 值 , 即 可 求 得 机器人手部的位姿:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

ADAMS/View 建 立 五 自 由 度 机 器 人 仿 真 模 型 的 步 骤 :
( 1 ) 设 置 ADAMS/View 工 作 环 境 : 工 作 栅 格 (1000×1000 ) mm ; 间距 10mm; gravity 设为 -y 方向。 (2 ) 几何建模: 创建底坐构件 → 创建驱干构件 → 创 建肩构件 → 创建大臂构件 → 创建小臂构件 → 创建手腕构 件 → 创建机械手构 件 。 ADAMS/View 工 作 界 面 中 的 虚 拟 五自由度机器人仿真模型如图 3 。 (3 ) 对各构件添加约束: 首先在机器人的基座上添 加固定副, 然后在机器人的腰部、 肩部、 肋部各有一个 转动副, 腕部两个转动副, 手部固定在腕部。 为简化模 型并便于仿真, 通过布尔运算将手部与 wrist2 合成一个 零 件 。 定 义 手 部 中 心 MARKER 点 为 hand_end , 研 究 机 器人手部位姿即研究该点的位姿。 (4 ) 添加驱动: 为各运动副施加旋转驱动。 施加了 约束和驱动后机器人 3D 模型如图 4 所示。

n x ox ax p x n y oy ay p y n z oz az p z 0 0 0 1

T5=A1A2A3A4A5=

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

式中, 前三列表示手部的姿态, 第四列表示手部的 位置
[1]

(由于复杂的矩阵运算, 结果不再列出)。

2.2 运动学反解
机器人运动学反解是在已知手部要达到的目标位姿 的 情 况 下 如 何 求 出 各关 节 变 量 , 以 驱 动 各 关 节 的马 达 , 使手部的位姿得到满足。 机器人逆运动学求解方法众多, 一般分为两类: 封闭解和数值解
[1]

。 由于不同学者对同

3.3 用 ADAMS/View 建模需注意的问题
一 是 ADAMS 建 立 模 型 的 方 式 是 堆 积 木 式 的 建 法 , 即在已建好的一个模型基础上建立另一个模型 , 因此 最好从底座开始按顺序建模, 以方便对模型中各个构件的管 理; 二是几何建模过程中多次 使用布尔运算; 三是在建模时 应逐步地对构件施加各种约束, 并且经常对约束进行试验, 检 查是否有约束错误; 四是在设 置运动约束时, 要注意对象的 选 择 顺 序 , 在 ADAMS/View 中 , 被 1 个约束连接的两个构件中, 构件 1 被连接到构件 2 上
[ 2]

一机器人的运动学逆解提出不同的解法 , 同时机器人运 动学逆解问题在求解时还有可能无解或存在多个解 , 使 得机器人运动学的反解成为机器人运动学研究中的难点。

3 基于 ADAMS 的五自由度机器人三维模型 的建立
3.1 ADAMS 的主要工作模块
[2]

ADAMS 集 建 模 、 计 算 和 后 处 理 于 一 体 , 由 多 个 模
块 组 成 , 基 本 模 块 是 View 模 块 和 Postprocess 模 块 , 通 常的机械系统都可以用这两个模块来完成。 另外在

ADAMS 中还 有 针 对 专 业 领 域 而 单 独 开 发 的 一 些 专 用 模
块和 嵌 入 模 块 , 本 研 究 主 要 用 基 本 模 块 即 View 模 块 和

Postprocess 模块来完成。



3.2 基于 ADAMS/View 的五自由度机器人仿真模型
由于 ADAMS/View 三维实体建模功能相对薄弱 , 大 多研究机构都采用专业的 CAD 软件和 ADAMS 联合建模 的策略。 即用 CAD 软件如 Pro/E 等建立三维模型, 然后 导入到 ADAMS/View 中, 再利用 ADAMS/View 对模 型 进 行运动学或动力学仿真。 考虑到本文所研究的五自由度 机器人结构相对简单, 可以充分利用 ADAMS/View 所提 供的布尔运算功能建立机器人模型 , 虽然建模的工作量 大大增加, 但构建的模型可以实现必要的参数化, 并且 施加约束、 运动等非常方便。

五 是 利 用 Tools 菜 单 中 Model

Verify 命 令 定 期 的 检 查 模 型 的 自
由度。

4 基于 ADAMS 的五自由 度机器人多刚体模型运动 学分析
ADAMS/View 环境运动学正解
仿真分析。 输入各关节驱动函数: 腰 关 节 180.0d * sin ( 75d*time -

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90d) +180d ; 肩关节 -15d*sin (180d*time-90d) -15d ; 肘
关 节 15.0d *sin (145d* time-90d) +15d ; 腕 关 节 仰 俯 运

动 +45d*sin ( 180d* time -90d) +45d ; 腕 关 节 翻 转 运 动

30.0d * sin (145d*time-90d) +30d 。 设各关节角速度均为 30°/s , 设 置 仿 真 时 间 5s , 仿 真 步 数 1000。 各 关 节 变 量 θ1~θ5 位置曲线如图 5 所示。
手部 末 端 hand_end 点 相 对 于 机 器 人基 座 坐 标 系 分 别 在 X、 Y、 Z 方 向 的 位 移 、 速 度 、 加 速 度 曲 线 及 合 成 曲线如图 6 所示。 利 用 ADAMS 的 Plot tracking 功 能 , 还 可 以 很 方 便 地求解在任意时刻的各关节变量值及对应的手部的位 移、 速度、 加速度。

5 结束语
本文应用 ADAMS 建立了五自由度全转动关节机 器 人的虚拟样机, 并对其进行运动学正解仿真分析的研 究。 研究结果表明基于 ADAMS 的运动学正解比起复杂 的理论推导和矩阵运算, 方便、 快捷、 直观、 准确; 通 过 ADAMS 内部强大的测量和曲线分析功能, 可以准确 获 知 机 器 人 的 运 动 学 性 能,为 机 器 人 的 设 计 、 优 化 与 运 动控制提供参考数据。 参考文献:
[1] 吴振彪 . 工业机器人 [M]. 武汉:华中科技大学出版社,2006.
图 6 手部末端位移、 速度、 加速度仿真曲线

[2] 李增刚.ADAMS 入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社,2007. [3] 丁佳洛 . 基于 ADAMS 的串联机器人的运动学反解与动力学优化 [J]. 机电产品开发与创新 ,2008,1.

Fig.6 Displacement,velocity and accelarate diagram of hand_end point

Kinematics Simulation for a Kind of 5-DOF Robot Based on ADAMS
LIU Hong-Wei (Department of Mechanical and Electrical Engineering , Nanyang Institute of Technology , Nanyang Henan 473004 , China) Abstract: This paper introduces kinematics simulation for a kind of 5 degree-of-freedom robot based on ADAMS. The method of building 3D virtual models for the robot is given. Regarding a familiar industrial robot as study object and using ADAMS, displacement, velocity and acceleration of the end of robot manipulator is given. It provides a basis for robot motion control and optimization design. Key words: industrial robot ; 5-degree-of-freedom ; kinematics simulation ; ADAMS

(上接第 46 页)

减少了实验设备和实验条件的重 复 建

工作不仅得到学校和同行的肯定, 同时也感到我们赶上 或超过先进同行的办学水平, 还有很多的工作要做。 我们清醒的认识到只有不断的改革 , 完善工业设计 专业的教学, 才能使工业设计专业教育越办越好。 参考文献:
[1] 吴翔 . 边缘与突破 [M]. 河北:河北美术出版社,2003.

设。 这些硬件的建立强化了老师和学生的专业素养。

3 总结
我校的工业设计教育专业从建立到现在 , 各个方面 都在进行改革和完善, 并取得了一定的成效。 各方面的

Primary Probing of Revolution of Education of Industrial Design of Our School
LIU Zong-Ming , TANG Chuan-Lin (School of Mechanical Engineering , Hunan University of Technology , Zhuzhou Hunan 412008 , China) Abstract: In order to cater to the market`s need, this paper descripes revolution methods of education of Industrial design in our college , emphersizing on introducing the revolution of software and hardware aspects of industrial design of our school. Key words: industrial design ; revolution of education ; cultivate ; special education

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