简单串联机器人ADAMS仿真

机械系统动力学简化串联机器人的运动学与动力学仿真分析学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：学号：指导教师：完成日期：2015.01.09摘要在机器人研究中，串联机器人研究得较为成熟，其具有结构简单、成本低、控制简单、运动空间大等优点，已成功应用于很多领域。本文在ADAMS中用连杆模拟两自由度的串联机器人（机械臂），对其分别进行运动学分析、动力学分析。得出该机构在给出工作条件下的位移、速度、加速度曲线和关节末端的运动轨迹。关键词：机器人；ADAMS；曲线；轨迹一、ADAMS软件简介ADAMS，即机械系统动力学自动分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，该软件是美国MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)(现已并入美国MSC公司)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于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荷等。二、简化串联机器人的运动学仿真（1）启动ADAMS/View。在欢迎对话框中选择新建模型，模型取名为robot，并将单位设置为MMKS，然后单击OK。（2）打开坐标系窗口。按下F4键，或者单击菜单【View】→【CoordinateWindow】后，打开坐标系窗口。当鼠标在图形区移动时，在坐标窗口中显示了当前鼠标所在位置的坐标值。（3）创建机械臂关节1（连杆）。单击连杆按钮，将其的长、宽、深选项，设置为300mm、40mm、10mm，如图2.1所示。在图形区单击鼠标左键，然后将连杆拖至水平位置时，再单击鼠标左键。图2.1创建连杆图2.2创建孔（4）在连杆的右端打孔。在几何建模工具栏单击打孔按钮，将半径Radius设置为10mm，深度设置为10mm，如图2.2所示。然后在图形区模型附近单击鼠标左键，在与XY平面垂直的表面上单击鼠标左键。然后修改孔的位置，【HOLE_1】→【Modify】，在弹出的对话框中，将Center的坐标值设置成（300，0.0，5.0）（5）创建关节2。用（3）的方法在关节1右端孔中心处创建关节2，如图2.3所示。然后再将关节2向内侧平移10mm。图2.3机械臂模型（6）添加约束。在关节1的左端与大地之间添加转动副，在关节1与关节2结合处添加转动副。单击工具栏中的旋转副按钮，并将创建旋转副的选项设置为2Bod-1Loc和NormalGrid，然后在图形区单击关节1和大地，之后需要选择一个作用点，将鼠标移动到关节1的Marker1处出现center信息时，按下鼠标左键后就可以创建旋转副，旋转副的轴垂直于工作栅格。然后用同样的方法创建关节1与关节2之间的旋转副，如图2.4所示。图2.4创建旋转副（7）添加驱动。在运动副1（Joint1）和运动副2（Joint2）上分别添加旋转驱动。单击主工具栏的旋转驱动按钮，然后在选择上面创建的旋转副1，然后在图形区单击鼠标右键，在快捷菜单中中选择Modify，在编辑对话框中将驱动函数设置为30d*sin(time)，如图2.5所示。用同样的方法在旋转副2上创建旋转驱动，并将驱动函数设置为20d*time*(-1)。图2.5旋转驱动（8）运行仿真计算。单击主工具栏的仿真计算按钮，将仿真类型设置为Kinematic，仿真时间EndTime设置为20，仿真步数Steps设置为500，然后单击运行按钮进行仿真计算。（9）绘制运动轨迹。单击菜单【Review】→【CreateTraceSpline】，然后选择关节2右端点Marker4，再选择关节1与大地的铰接点，鼠标移动到Joint1处，单击鼠标右键，在弹出对话框中选择ground，单击OK创建运动轨迹，如图2.6所示。图2.6机器人末端运动轨迹（10）结果后处理。按下键盘上的F8键，界面将从View模块直接进入到PostProcess模块，后处理模块界面如图2.7所示。图2.7后处理模块界面（11）后处理模块界面在后处理模块，通过菜单【View】→【LoadAnimation】可以载入动画。在仿真动画中可以播放两种动画，一种是在时间域内进行的运动学和动力学仿真计算动画；另一种是在频率域内的，播放通过现行化或者在震动模块中的计算模型的振型动画。单击播放按钮后开始播放动画，如果在播放同时按下记录按钮，在播放动画的同时也将动画保存到动画文件中，动画文件位于ADAMS的工作目录下。在后处理模块中，通过菜单【View】→【LoadPlot】，通过选择相应的选项，绘制出相应的结果曲线。如果2.8、2.9、2.10所示，分别绘制出机械臂末端点的位移曲线、速度曲线和加速度曲线。图2.8机器人末端位移曲线图2.9机器人末端速度曲线图2.10机器人末端加速度曲线三、串联机器人的动力学分析（1）创建机械臂模型。按照二中（1）~（6）步创建同样的机械臂，并添加运动副约束。（2）添加驱动。与运动分析不同，动力学分析添加的驱动为单分量力矩。单击工具栏上的单分量力矩选项，将选项设置为SpaceFixed、NormaltoGrid和Constant，然后勾选Torque项并输入3800，然后在图形区单击关节1，再在其上单击任何一点。用同样的方法添加关节2的驱动，并将其值设置为-120。图3.1添加驱动——单分量力矩（3）运动学计算仿真。单击菜单【Simulate】→【IteractiveControls】，打开交互式仿真控制对话框，在对话框中将仿真时间EndTime设置为2，仿真步数Steps设置为500，仿真类型Type设置为Dynamic，单击仿真计算按钮，观看仿真动画，模型将在重力和驱动力矩作用下运动。（4）绘制运动轨迹。单击菜单【Review】→【CreateTraceSpline】，然后选择关节2右端点Marker4，再选择关节1与大地的铰接点，鼠标移动到Joint1处，单击鼠标右键，在弹出对话框中选择ground，单击OK创建运动轨迹，如图3.2所示。图3.2机器人末端运动轨迹（5）结果后处理。在后处理模块，通过菜单【View】→【LoadAnimation】可以载入动画。单击播放按钮后开始播放动画，在播放同时按下记录按钮，将动画保存到动画文件中。在后处理模块中，通过菜单【View】→【LoadPlot】，通过选择相应的选项，绘制出相应的结果曲线。如果3.3、3.4、3.5所示，分别绘制出机械臂末端点的位移曲线、速度曲线和加速度曲线。图3.3机器人末端位移曲线图3.4机器人末端速度曲线图3.5机器人末端加速度曲线四、小结及心得运用ADAMS通过以上过程对两自由度串联机器人进行了仿真分析，得出相应的位移、速度、加速度曲线以及工作端的运动轨迹，得出了构件的运动的规律，同时也可以较准确掌握机器人工作端的位移、速度、加速度等动力学参数。这对于对机构进行结构优化提供了一定依据。通过用ADAMS软件对连杆机器人进行以上的简单模拟，我对机械系统动力学仿真软件有了初步的认识和一定的了解，为以后进一步学习这些软件打下了基础。