基于ADAMS的四自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

PAGE目錄1引言 11.1工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀 11.2工業(yè)機(jī)械手的功能及應(yīng)用 11.3本文研究?jī)?nèi)容及研究意義 32工程機(jī)械仿真簡(jiǎn)介 32.1概述 32.2工程機(jī)械仿真的思想、內(nèi)容和特點(diǎn) 32.3參數(shù)化設(shè)計(jì)概念 42.4工程機(jī)械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì) 43Pro/E功能介紹 53.1引言 53.2Pro/E對(duì)三維模型的處理 53.2.1Pro/E的三維模型創(chuàng)建功能 53.2.2Pro/E建模的一般過(guò)程 63.2.3利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì) 63.3Pro/E的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì) 64ADAMS功能介紹 94.1ADAMS概述 94.2 ADAMS基本功能 94.3ADAMS和Pro/E之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 115仿真分析 125.1仿真流程圖 125.2模型建立 135.2.1利用Pro/E建立機(jī)構(gòu)模型 135.2.2ADAMS仿真模型等效轉(zhuǎn)換 145.3ADAMS仿真 155.3.1仿真設(shè)置 155.3.2仿真結(jié)果 156運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 176.1建立坐標(biāo)系 176.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 177結(jié)束語(yǔ) 19參考文獻(xiàn) 20致謝 21PAGE221引言1.1工業(yè)機(jī)械手研究現(xiàn)狀隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人領(lǐng)域的不斷發(fā)展，機(jī)器人仿真系統(tǒng)在機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究方面，發(fā)揮著重要的作用，它可應(yīng)用于機(jī)器人的許多方面，已成為機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支。例如：可幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限；還能幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)與合理性；可用于分析檢驗(yàn)軌跡規(guī)劃和作業(yè)規(guī)劃的正確性與合理性；可為離線編程技術(shù)的研究提供一種極為有效的驗(yàn)證手段；可以用于實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人與作業(yè)環(huán)境之間的碰撞與干涉以保證整個(gè)生產(chǎn)單元的安全等。此外，仿真技術(shù)還可以幫助用戶選擇適合特定作業(yè)環(huán)境的機(jī)器人類(lèi)型。機(jī)械手是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。工業(yè)機(jī)械手的性能，要求不斷提高工作精度和作業(yè)速度，增加機(jī)構(gòu)的自由度，提高通用性和靈活性，同時(shí)還要求降低成本，控制簡(jiǎn)單，安全可靠。因此，工業(yè)機(jī)械手的研究處于機(jī)械手研究的前沿。多自由度機(jī)械手已經(jīng)得到了廣泛的研究，但自由度較少的工業(yè)機(jī)械手，以其造價(jià)低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度高、定位精度高、響應(yīng)速度快、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，有極高的性價(jià)比，在實(shí)際工業(yè)市場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。水平多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)械手由于精度高、運(yùn)動(dòng)速度快，串聯(lián)四自由度導(dǎo)致其靠后的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)都位于運(yùn)動(dòng)著的臂上，導(dǎo)致系統(tǒng)慣性增加，系統(tǒng)動(dòng)力性能惡化；又由于串聯(lián)機(jī)構(gòu)求正解較容易，而求逆解則較困難，因此運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)計(jì)算困難，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)中必須放寬各種設(shè)計(jì)參數(shù)；還因?yàn)闄C(jī)器較重，并進(jìn)一步導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)部分變大，系統(tǒng)響應(yīng)速度降低，大型驅(qū)動(dòng)部分難以取得較高的精度。1.2工業(yè)機(jī)械手的功能及應(yīng)用機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車(chē)間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？墒窃跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳送到下一個(gè)生產(chǎn)工序，機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料，澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。(1)建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類(lèi)、環(huán)類(lèi)）自動(dòng)線一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類(lèi)生產(chǎn)線很多，如沈陽(yáng)永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類(lèi)），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類(lèi)），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤(pán)類(lèi)）等。加工箱體類(lèi)零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。（2）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面各類(lèi)半自動(dòng)車(chē)床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開(kāi)的功能，但仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車(chē)床和座圈自動(dòng)車(chē)床機(jī)械手，大連第二車(chē)床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車(chē)床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類(lèi)產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車(chē)配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多，如沈陽(yáng)低壓開(kāi)關(guān)廠200t環(huán)類(lèi)沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等；二是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機(jī)械手等。（3）鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面模鍛方面，國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置在爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化，上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。1.3本文研究?jī)?nèi)容及研究意義本文所介紹的方法是使用Pro/Engineer進(jìn)行3D建模，并使用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真。在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算實(shí)際機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)與受力特征，指導(dǎo)3D設(shè)計(jì)過(guò)程的方法，可以降低機(jī)械手的開(kāi)發(fā)周期，降低了機(jī)械手的開(kāi)發(fā)成本；機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，還具有進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)無(wú)法比擬的其他優(yōu)勢(shì)，包含可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)械手的下一步的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)更改機(jī)械手的控制算法，可以降低機(jī)械手的能耗、反應(yīng)時(shí)間，而且還具有及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)參數(shù)、再次進(jìn)行仿真、避免重復(fù)的實(shí)物建造等一系列降低費(fèi)用、縮短開(kāi)發(fā)周期的優(yōu)點(diǎn)。2工程機(jī)械仿真簡(jiǎn)介2.1概述建國(guó)以來(lái)，工程機(jī)械行業(yè)從無(wú)到有，從弱到強(qiáng)，走過(guò)了波瀾壯闊的60年風(fēng)雨歷程，為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。工程機(jī)械行業(yè)已經(jīng)成為我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域在自主創(chuàng)新、品牌建設(shè)、出口創(chuàng)匯等方面的典范，涌現(xiàn)了一批在國(guó)內(nèi)外有影響力的人物、企業(yè)、品牌。2.2工程機(jī)械仿真的思想、內(nèi)容和特點(diǎn)工程機(jī)械是否具有優(yōu)良品質(zhì)、使用性能和可靠性水平，取決于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理論和方法手段產(chǎn)生的優(yōu)化的零部件及機(jī)器整體的結(jié)構(gòu)形狀。工程機(jī)械仿真設(shè)計(jì)的基本思想、內(nèi)容是：建立以機(jī)器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)為優(yōu)化準(zhǔn)則，在相似的使用條件下，從結(jié)構(gòu)尺寸相似的現(xiàn)有機(jī)器產(chǎn)品系列中篩選出技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和效益指標(biāo)最優(yōu)的機(jī)器作為樣機(jī)，然后根據(jù)描述機(jī)器技術(shù)形態(tài)和工作過(guò)程的數(shù)學(xué)方程，運(yùn)用相似理論推導(dǎo)出設(shè)計(jì)機(jī)器與樣機(jī)參數(shù)間的相似公式，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和處理，迅速將優(yōu)化樣機(jī)參數(shù)換算到要設(shè)計(jì)的機(jī)器上，并根據(jù)所得新機(jī)器的主要參數(shù)和樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與圖形，繪制出設(shè)計(jì)機(jī)器的圖紙。仿真設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要是理論性強(qiáng)、速度快、費(fèi)用低，是工程機(jī)械研制新機(jī)器的良好途徑，它不僅對(duì)提高機(jī)器的開(kāi)發(fā)速度，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量有良好的實(shí)用價(jià)值，而且對(duì)引進(jìn)機(jī)器設(shè)備的仿制及系列化具有重要作用。2.3參數(shù)化設(shè)計(jì)概念參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種使用重要幾何參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模型的造型方法。采用參數(shù)化模型，通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改和控制幾何形狀，從而自動(dòng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的精確造型。這些重要的幾何參數(shù)包括控制形體大小的尺寸和定位形體的方向矢量等。參數(shù)化技術(shù)以約束為核心，是一種比約束自由造型技術(shù)更新穎、更好的造型技術(shù)。該技術(shù)具有以下3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：(1)設(shè)計(jì)人員的初始設(shè)計(jì)要求低。無(wú)需精通繪圖，只需勾繪草圖即可，提高了設(shè)計(jì)的柔性。(2)便于系列化設(shè)計(jì)。同種規(guī)格零件的不同尺寸系列可在一次設(shè)計(jì)成型后通過(guò)修改尺寸得到。(3)便于隨時(shí)編輯、修改，能滿足反復(fù)設(shè)計(jì)要求。2.4工程機(jī)械零部件參數(shù)化仿真設(shè)計(jì)工程機(jī)械各個(gè)機(jī)構(gòu)由很多的零部件構(gòu)成，其中存在大量的相似件，同一系列的機(jī)型之間也有大量的相似件。在傳統(tǒng)的二維、三維設(shè)計(jì)方法上，需要對(duì)每一個(gè)零部件進(jìn)行分別建模，這就必然要求占用較多的時(shí)間和空間，浪費(fèi)更多的精力，而且在對(duì)零部件進(jìn)行修改時(shí)，需要改動(dòng)的參數(shù)也比較多，花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)效率成為主題。

3Pro/E功能介紹3.1引言Pro/E是全方位的3D產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件Pro/DESINGER（造型設(shè)計(jì)）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開(kāi)發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)的流程，國(guó)際上有27000多企業(yè)采用了PRO/ENGINEER軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。3.2Pro/E對(duì)三維模型的處理3.2.1Pro/E的三維模型創(chuàng)建功能特征造型是幾何造型技術(shù)的發(fā)展，它對(duì)諸如零件形狀、尺寸、工藝、功能等相關(guān)信息的綜合描述更直觀和更具工程含義?；谔卣鞯脑煨拖到y(tǒng)一般先將大量的標(biāo)準(zhǔn)特征或用戶自定義特征存入數(shù)據(jù)庫(kù)，在設(shè)計(jì)階段調(diào)用特征庫(kù)中的特征作為基本造型單元進(jìn)行建模，再逐步輸入幾何信息、工藝信息，建立零件的特征數(shù)據(jù)模型，并將其存入數(shù)據(jù)庫(kù)。基于特征的造型方法大大地提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，同時(shí)在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)計(jì)人員可方便地進(jìn)行特征的合法性、相關(guān)性檢查，便于組織復(fù)雜的特征。特征建模過(guò)程實(shí)際上是一系列特征的累加過(guò)程。在三維建模中主要有以下3種特征:(1)實(shí)體特征它是構(gòu)建三維模型的基本單元和主要設(shè)計(jì)對(duì)象。實(shí)體特征可以是正空間特征(如實(shí)體的突出部分)，也可以是負(fù)空間特征(如實(shí)體上的孔、槽等)。在Pro/E中，根據(jù)建模方式和原理的差異，把實(shí)體特征進(jìn)一步分為基礎(chǔ)特征和工程特征?；A(chǔ)特征是三維模型設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，包括拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征和混合特征等；工程特征是在基礎(chǔ)特征上的附加特征,它的創(chuàng)建依賴于已存在的基礎(chǔ)特征，是有一定工程應(yīng)用價(jià)值的特征，包括孔特征、肋特征、倒角特征和拔模特征等。(2)曲面特征它是一種沒(méi)有質(zhì)量和體積的幾何特征，對(duì)曲面的精確描述比較復(fù)雜，在目前三維造型中通常采用“B樣條曲線”為基礎(chǔ)，通過(guò)曲率分布圖對(duì)曲線進(jìn)行編輯，進(jìn)而得到高質(zhì)量的曲面造型。曲面特征主要用于產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、外形設(shè)計(jì)和逆向工程等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。(3)基準(zhǔn)特征指參數(shù)化設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)曲線、基準(zhǔn)平面和坐標(biāo)系等。一般來(lái)說(shuō)，基準(zhǔn)特征主要用于輔助三維模型的創(chuàng)建。3.2.2Pro/E建模的一般過(guò)程建模的各個(gè)過(guò)程有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)整體，整個(gè)建模過(guò)程就是基于特征為基本單位的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程。其中參數(shù)包括幾何參數(shù)和尺寸參數(shù)。幾何參數(shù)確定了實(shí)體特征基本位置的固定關(guān)系，尺寸參數(shù)決定了產(chǎn)品外觀尺寸和相對(duì)距離。利用參數(shù)可以準(zhǔn)確控制和修改所建立的三維模型。Pro/E建模的一般過(guò)程如下：(1)建立或選取基準(zhǔn)特征作為模型空間定位的基準(zhǔn)：如基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸和基準(zhǔn)坐標(biāo)系等。建立每個(gè)實(shí)體特征時(shí),都要利用基準(zhǔn)特征作為參照；(2)建立基礎(chǔ)實(shí)體特征：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、混合等。利用Pro/E建模首先從整體研究將要建模的零件,分析其特征組成，明確不同特征之間的關(guān)系和內(nèi)在聯(lián)系，確定零件特征的創(chuàng)建順序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模、添加工程特征等設(shè)計(jì)。通過(guò)二維平面草繪圖的旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描和混合等工具來(lái)實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體模型的構(gòu)建。Pro/E三維模型將線框、曲面和實(shí)體三者結(jié)合起來(lái)；(3)建立工程特征：孔、倒角、肋、拔模等；(4)特征的修改：特征陣列、特征復(fù)制等編輯操作；(5)添加材質(zhì)和渲染處理。

3.2.3利用族表實(shí)現(xiàn)零件系列化設(shè)計(jì)

系列化設(shè)計(jì)是指對(duì)于某些基本形狀相似的零件，通過(guò)修改參數(shù)即可自動(dòng)生成新的系列化零件的設(shè)計(jì)方法，系列化設(shè)計(jì)可大大節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高設(shè)計(jì)效率。Pro/E提供的族表實(shí)質(zhì)上是一電子表格，該表格由行和列組成。族表中由用戶建立的零件為基礎(chǔ)零件(父零件)，以基礎(chǔ)零件為基礎(chǔ)，通過(guò)控制參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成的零件為族成員(子零件)，所有基礎(chǔ)零件和族成員的集合即為族表。3.3Pro/E的特點(diǎn)及產(chǎn)品外觀造型設(shè)計(jì)Pro/E獨(dú)樹(shù)一幟的軟件功能直接影響了我們工作中的設(shè)計(jì)、制造方法。與其他同類(lèi)三維軟件（MDT、UG、CATIA等）相比，Pro/ENGINEER的不同之處在于以下幾點(diǎn)：基于特征的（Feature-Based）Pro/E是一個(gè)基于特征的（Feature-Based）實(shí)體模型建模工具，利用每次個(gè)別建構(gòu)區(qū)塊的方式構(gòu)建模型。設(shè)計(jì)者根據(jù)每個(gè)加工過(guò)程，在模型上構(gòu)建一個(gè)單獨(dú)特征。特征是最小的建構(gòu)區(qū)塊，若以簡(jiǎn)單的特征建構(gòu)模型，在修改模型時(shí)，更有彈性。關(guān)聯(lián)的（Associative）通過(guò)創(chuàng)建零件、裝配、繪圖等方式，可利用Pro/ENGINEER驗(yàn)證模型。由于各功能模塊之間是相互關(guān)聯(lián)的，如果改變裝配中的某一零件，系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)地在該裝配中的其他零件與繪圖上反映該變化。參數(shù)化（Parametric）Pro/ENGINEER為一參數(shù)化系統(tǒng)，即特征之間存在相互關(guān)系，使得某一特征的修改會(huì)同時(shí)牽動(dòng)其他特征的變更，以滿足設(shè)計(jì)者的要求。如果某一特征參考到其他特征時(shí)，特征之間即產(chǎn)生父/子（parent/child）關(guān)系。構(gòu)造曲面（surface）復(fù)雜曲面的生成主要有三種方法：1）由外部的點(diǎn)集，生成三維曲線，再利用Pro/E下surface的功能生成曲面；2）直接輸入由Pro/designer（造型設(shè)計(jì)）產(chǎn)生的曲面；3）利用import（輸入）功能，以IGES、SET、VDA、Neutral等格式，輸入由其他軟件或三維測(cè)量?jī)x產(chǎn)生的曲面。在裝配圖中構(gòu)建實(shí)體根據(jù)已建好的實(shí)體模型，在裝配（component）中，利用其特征（平面，曲面或軸線）為基準(zhǔn)，直接構(gòu)建（Create）新的實(shí)體模型。這樣建立的模型便于裝配，在系統(tǒng)默認(rèn)（default）狀態(tài)下，完成裝配。在產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，首先要搞清楚利用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟或流程。使用Pro/E一般要遵循一定的流程：（1）確定產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)分析產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)，確定將產(chǎn)品分為幾部分，根據(jù)產(chǎn)品的特征，建立特征曲線，使用pro/E可接受的造型方法，構(gòu)建產(chǎn)品的主體輪廓。例如，可將電飯煲分為三部分：鍋蓋總成、按鍵總成、鍋體總成。在設(shè)計(jì)時(shí)，可先將鍋蓋、鍋體、按鍵作為一體來(lái)考慮，設(shè)計(jì)完成后，用分模的方法分為三部分，按鍵的形狀及裝配位置要同鍋體的曲面配合，因此，該產(chǎn)品應(yīng)按照鍋蓋部分、鍋體部分、按鍵部分的順序進(jìn)行設(shè)計(jì)。（2）建模按照Pro/E建模的規(guī)則，使用各種適當(dāng)?shù)慕７椒?，建立主體模型。其設(shè)計(jì)思路是由簡(jiǎn)到繁，由基本到復(fù)雜，復(fù)雜的幾何體都是由一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何特征組合構(gòu)成的。（3）修剪曲面使用surface菜單下的各種選項(xiàng)，如merge（融合曲面），包括：join（連接）、intersect（相交）、trim（修剪曲面）、extend（延伸曲面）等，對(duì)曲面進(jìn)行修剪、編輯，完成模型的初步設(shè)計(jì)。（4）曲面檢測(cè)檢查曲面光滑度、曲率變化的連續(xù)性等項(xiàng)目，來(lái)確認(rèn)曲面是否符合設(shè)計(jì)要求。一般情況下，對(duì)曲面進(jìn)行渲染render或shading處理，通過(guò)visibility（可見(jiàn)度）、transparency（透明度）、light（燈光設(shè)置）等手段，產(chǎn)生高清晰度的曲面，判斷曲面的光滑性。此外，還可以用Analysis-Surfaceanalysis工具，對(duì)曲面的最小曲率半徑、最大曲率半徑、高斯曲率（Gausscurvature）等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，從曲率圖表、彩色圖象的顏色變化，可以直觀地了解曲面的光滑性。如果曲面的外觀質(zhì)量不符合設(shè)計(jì)要求，可以修改曲面的參數(shù)，以得到效果符合要求的曲面。由于Pro/E軟件的基本特征之一就是參數(shù)化，通過(guò)改變參數(shù)實(shí)現(xiàn)曲面的變化是很容易的。圓順邊角在建立CAD模型時(shí)，特征與特征之間存在父/子關(guān)系，如果增加特征或修改特征，則會(huì)引起邊、面的改變，從而導(dǎo)致圓角特征失敗，因此，邊、面的圓角或光滑過(guò)度一般在模型設(shè)計(jì)的后期進(jìn)行。Pro/E提供強(qiáng)大的圓角功能，可以完成單一邊界、多邊界，單一半徑、變半徑的圓角。此外利用軟件提供的AdvancedRound（高級(jí)圓角功能），通過(guò)指定圓角的形式、圓角相交時(shí)截面的形狀，可達(dá)到圓順部分不同的外觀效果，是區(qū)別于其他三維軟件的特色之一。在實(shí)際使用過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)倒圓角有一定的先后順序，遵循由大到小、先凹后凸的原則，一般可獲得成功。如果產(chǎn)生失敗，采用改變圓角順序、Boundary（邊界曲面）和特征結(jié)合使用的方法，往往能得到滿意的效果。最后，Pro/EngineerWildfire版本更加完善了軟件的用戶界面和功能，其中包含了目前國(guó)際上先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想，如To-down設(shè)計(jì)、并行設(shè)計(jì)、柔性設(shè)計(jì)、系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)技術(shù)，在進(jìn)一步推廣和使用Pro/E軟件的同時(shí),這些先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)也將引入到工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中，與其他三維造型設(shè)計(jì)軟件相比，Pro/E在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有特殊的優(yōu)勢(shì)，將Pro/E運(yùn)用到產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)必將全面推動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，與世界先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)接軌。

4ADAMS功能介紹4.1ADAMS概述ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems)，該軟件是美國(guó)MDI公司(MechanicalDynamicsInc.)開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)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。根據(jù)1999年機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真分析軟件國(guó)際市場(chǎng)份額的統(tǒng)計(jì)資料，ADAMS軟件銷(xiāo)售總額近八千萬(wàn)美元、占據(jù)了51%的份額,現(xiàn)已經(jīng)并入美國(guó)MSC公司。ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析；另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開(kāi)發(fā)工具，其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類(lèi)型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類(lèi)模塊組成，用戶不僅可以采用通用模塊對(duì)一般的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而且可以采用專用模塊針對(duì)特定工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的問(wèn)題，進(jìn)行快速有效的建模與仿真分析。4.2 ADAMS基本功能ADAMS軟件提供的分析類(lèi)型如下：(1)結(jié)構(gòu)靜力分析用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力，靜力分析很適合求解慣性和阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問(wèn)題。ADAMS程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。(2)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響，與靜力分析不同，動(dòng)力分析要考慮隨時(shí)間變化的力載荷以及它對(duì)阻尼和慣性的影響。可進(jìn)行ADAMS的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類(lèi)型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。(3)結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ADAMS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。(4)動(dòng)力學(xué)分析ADAMS程序可以分析大型三維柔體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)的積累影響起主要作用時(shí)，可使用這些功能分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)在空間中的運(yùn)動(dòng)特性，并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變和變形。(5)熱分析程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。熱傳遞的三種類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析，熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過(guò)程的相變分析能力以及摹擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱結(jié)構(gòu)耦合分析能力。(6)電磁場(chǎng)分析主要用于電磁場(chǎng)問(wèn)題的分析，如電感、電容、磁通量密度、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線分布、力、運(yùn)動(dòng)效應(yīng)、電路和能量損失等，還可用于螺線管、調(diào)節(jié)器、發(fā)電機(jī)、變換器、磁體、加速器、電解槽及無(wú)損檢測(cè)裝置等的設(shè)計(jì)和分析領(lǐng)域。(7)流體動(dòng)力學(xué)分析ADAMS流體單元能進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)分析，分析類(lèi)型可以為瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)，分析結(jié)果可以是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力和通過(guò)每個(gè)單元的流率，并且可以利用后處理功能產(chǎn)生壓力、流率和溫度分布的圖形顯示。另外，還可以使用三維表面效應(yīng)單元和熱－流管單元模擬結(jié)構(gòu)的流體繞流并包括對(duì)流換熱效應(yīng)。(8)聲場(chǎng)分析程序的聲學(xué)功能用來(lái)研究在含有流體的介質(zhì)中聲波的傳播，或分析浸在流體中的固體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。這些功能可用來(lái)確定音響話筒的頻率響應(yīng)，研究音樂(lè)大廳的聲場(chǎng)強(qiáng)度分布，或預(yù)測(cè)水對(duì)振動(dòng)船體的阻尼效應(yīng)。(9)壓電分析用于分析二維或三維結(jié)構(gòu)對(duì)AC（交流）、DC（直流）或任意隨時(shí)間變化的電流或機(jī)械載荷的響應(yīng)，這種分析類(lèi)型可用于換熱器、振蕩器、諧振器、麥克風(fēng)等部件及其它電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析?？蛇M(jìn)行四種類(lèi)型的分析：靜態(tài)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析。4.3ADAMS和Pro/E之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換要對(duì)一種復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行比較精確的動(dòng)力學(xué)仿真研究，一種比較流行的解決方案就是用專業(yè)的CAD軟件和專業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合建模，即先用專業(yè)的CAD軟件精確建立復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)各零部件的三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)裝配圖，而后轉(zhuǎn)化到專業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件下添加復(fù)雜的力和約束，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并在樣機(jī)上對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真研究。但由于當(dāng)前沒(méi)有一款軟件同時(shí)具有專業(yè)CAD建模和專業(yè)動(dòng)力學(xué)仿真的功能，通常選用的CAD軟件和動(dòng)力學(xué)仿真軟件是兩個(gè)不同公司的產(chǎn)品，這就存在兩個(gè)軟件傳遞過(guò)程中“有縫聯(lián)接”的處理問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)這方面研究的一種常見(jiàn)組合是美國(guó)PTC公司的Pro/E和美國(guó)MDI公司的ADAMS，故對(duì)于從事復(fù)雜機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真研究的ADAMS工程師而言，正確處理Pro/E和ADAMS的傳遞是確保仿真效果的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)于Pro/E和ADAMS的傳遞，用MDI公司提供的專用接口模塊Mechanism/Pro比較方便，定義好零部件的單位和密度是最基本的要求。如今，MDI公司已經(jīng)發(fā)布了ADAMS10.0版本，10.0新版本是在9.0軟件的基礎(chǔ)上研發(fā)的，與其有很好的兼容性，它延續(xù)了ANSYS一貫強(qiáng)大的耦合場(chǎng)技術(shù)，10.0版本為復(fù)雜的流固耦合（FSI）問(wèn)題提供了更完善的解決方案。該版本整合了世界一流的應(yīng)力分析和流體分析技術(shù)，形成了一套完整的FSI解決方案，通過(guò)適合于特定場(chǎng)要求的網(wǎng)格劃分，一個(gè)單一的幾何體可以應(yīng)用于兩種場(chǎng)。該版本提供了有效地解決FSI動(dòng)力學(xué)分析的信息交換功能，目前市場(chǎng)上沒(méi)有任何其他的FSI軟件可以提供如此強(qiáng)大的穩(wěn)健性和高度的精確性的分析。另外，該版本可以在多個(gè)機(jī)群進(jìn)行并行處理解決超大模型。

5仿真分析5.1仿真流程圖基于ADAMS的建模功能并不強(qiáng)大，只能建一些簡(jiǎn)單的模型。所以本文先采用專業(yè)的CAD軟件Pro／E建立機(jī)械手的機(jī)構(gòu)模型，然后通過(guò)Mechanism／Pro口模塊導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。整個(gè)仿真流程如圖1所示：圖1仿真計(jì)算流程5.2模型建立5.2.1利用Pro/E建立機(jī)構(gòu)模型圖2即為在CAD軟件Pro／E中所建立的機(jī)械手機(jī)構(gòu)模型。假設(shè)各桿件質(zhì)量分布勻，且為剛體，圖中可以清楚地看到該機(jī)械手由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕以及夾持器幾部分構(gòu)成，其中腰部與機(jī)座之間、大臂與腰部之間、小臂與大臂之間分別通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接。此三個(gè)關(guān)節(jié)的作用是使與其連接的桿件構(gòu)成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即機(jī)械手的三個(gè)自由度，它們決定了機(jī)械手末端在空間中的位置，機(jī)械手的腕部有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接，包含滾轉(zhuǎn)和俯仰共兩個(gè)自由度，他們決定了機(jī)械手在空間中的姿態(tài)。機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2機(jī)械手模型表1機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)關(guān)節(jié)數(shù)關(guān)節(jié)類(lèi)型關(guān)節(jié)變量范圍1R（腰部回轉(zhuǎn)）－130°～130°2R（大臂俯仰）－45°～135°3R（小臂俯仰）－180°～0°4R（腕部回轉(zhuǎn)）－180°～180°5R（腕部俯仰）－225°～45°該機(jī)械手可看作一個(gè)開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，由連桿通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成。開(kāi)鏈的一端固定在地面基座上，另一端是自由的，安裝著工具(或稱為末端執(zhí)行器)，用來(lái)完成各種作業(yè)。整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是由分別安裝在每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)諧波減速器減速后帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，只要給定各個(gè)關(guān)節(jié)的角度值，機(jī)械手就可以以一定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)到指定位置。如果給定機(jī)械手初態(tài)和末態(tài)位置坐標(biāo)，也可以測(cè)出機(jī)械手各關(guān)節(jié)角度值及其隨時(shí)間的變化規(guī)律曲線。在創(chuàng)建3D模型之前，最好定義各種材料的零件的模板。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格按照零件材料選用模板，可以減少輸入密度的工作。對(duì)于各種電機(jī)，傳感器等多種材料的不見(jiàn)，需要計(jì)算出密度并輸入相應(yīng)的模型中。下面給出機(jī)械手的裝配圖。如圖3所示：圖3機(jī)械手裝配圖在裝配過(guò)程中，對(duì)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間，在Pro/Engineer中使用關(guān)節(jié)裝配方式，可以省去部分在ADAMS中工作。在添加約束的過(guò)程中，需要詳細(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副，本文中主要是轉(zhuǎn)動(dòng)副和旋轉(zhuǎn)副。5.2.2ADAMS仿真模型等效轉(zhuǎn)換我們利用Pro／E與ADAMS軟件的接口Mechanism／Pro，將機(jī)構(gòu)模型轉(zhuǎn)入ADAMS中。由于Pro/E和ADAMS來(lái)自兩個(gè)不同的公司，兩者間屬“有縫連接”，兩者間不同的圖形格式在轉(zhuǎn)換時(shí)一些圖形元素可能會(huì)丟失，此時(shí)需要返回并做相應(yīng)的修改，進(jìn)一步完善模型，確保無(wú)誤后添加約束及驅(qū)動(dòng)。對(duì)于本論文中的機(jī)械手主要包括固定副，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)副及驅(qū)動(dòng)，各部件的約束關(guān)系盡可能與實(shí)際系統(tǒng)相一致，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。此時(shí)的樣機(jī)包含兩部分，一部分為大地(固定件)模型，另一部分為運(yùn)動(dòng)件模，各關(guān)節(jié)的連接關(guān)系可以在ADAMS的信息窗口中看到。接下來(lái)就可以進(jìn)行仿真分析了。5.3ADAMS仿真5.3.1仿真設(shè)置本次仿真主要觀察在給定機(jī)械手五個(gè)關(guān)節(jié)角的值后，讓機(jī)械手的末端達(dá)到一定位姿，要求機(jī)械手的前三個(gè)關(guān)節(jié)先動(dòng)，之后腕部關(guān)節(jié)再旋轉(zhuǎn)調(diào)整姿態(tài)。首先ADAMS定義的運(yùn)動(dòng)可以是與時(shí)間有關(guān)的位移、速度和加速度，默認(rèn)狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的速度定義為常數(shù)。我們可以通過(guò)三種方法自定義運(yùn)動(dòng)值：(1)輸入移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的速度。在默認(rèn)情況下，輸入的轉(zhuǎn)速單位為度／單位時(shí)間，輸入的移動(dòng)單位為長(zhǎng)度/單位時(shí)間。(2)使用函數(shù)表達(dá)式。(3)輸入自編函數(shù)子程序的傳遞參數(shù)。還可以編一個(gè)子程序定義非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，在參數(shù)欄輸入的是傳遞給子程序的參數(shù)，本次仿真使用的是第二種方法，輸入函數(shù)。ADAMS提供了很多函數(shù)，這里使用五個(gè)STEP函數(shù)來(lái)定義五個(gè)旋轉(zhuǎn)副的運(yùn)動(dòng)。具體如下：Motion1_jizuo_yao:step(time，0，0，1，90d)Motion2_dabi_yao:step(time，0，0，1，45d)Motion3_xiaobi_dabi:step(time，0，0，1，-90d)Motion4_wanl_xiaobi:(time，1，0，2，-90d)Motion5_wan2_wan1:(time，2，0，3，-135d)設(shè)定仿真時(shí)間為3S，仿真步數(shù)為200。5.3.2仿真結(jié)果在仿真結(jié)束后，進(jìn)行測(cè)量輸出。ADAMS提供了兩種類(lèi)型的測(cè)量，一種是預(yù)先定義好的自動(dòng)輸出結(jié)果的測(cè)量，如：構(gòu)件、點(diǎn)、柔性件、力、運(yùn)動(dòng)副等對(duì)象的位移、速度和加速度、動(dòng)能和勢(shì)能、力等有關(guān)信息；另一種是用戶自定義的測(cè)量。ADAMS的測(cè)量功能非常廣泛，不僅可以在仿真分析過(guò)程中跟蹤繪制感興趣的變量，以便跟蹤了解仿真分析過(guò)程，同時(shí)還可以在仿真分析結(jié)束后繪制有關(guān)變量的變化線。在這里我們測(cè)量手部末端WAN3隨時(shí)間的位移變化，得圖4所示曲線圖。圖4中可以清楚地看到機(jī)械手臂全部位移大部分集中在第一秒內(nèi)，也就是說(shuō)，要腰關(guān)節(jié)，肩關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)已經(jīng)基本達(dá)到所需位置，而腕部的滾轉(zhuǎn)、俯仰兩關(guān)節(jié)的作用是對(duì)手部姿態(tài)做調(diào)整，位移的變化并不大。圖4手部末端位移曲線圖圖5為機(jī)械手末端速度變化曲線圖，可以看到與實(shí)際情況是非常吻合的。圖5機(jī)械手末端速度變化曲線圖運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真后，還可測(cè)出各個(gè)關(guān)節(jié)上的驅(qū)動(dòng)力，這里只給出腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力曲線圖，如圖6。圖6腕部驅(qū)動(dòng)力曲線圖

6運(yùn)動(dòng)學(xué)分析6.1建立坐標(biāo)系如圖7所示，建立坐標(biāo)系：圖7三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移機(jī)械構(gòu)型圖6.2運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立的坐標(biāo)系，O點(diǎn)為機(jī)座定位點(diǎn)，以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系XOYOZO，此坐標(biāo)系即為世界坐標(biāo)系OXOYOZO；在A點(diǎn)建立機(jī)械手坐標(biāo)系A(chǔ)XAYAZA，XA指向AB桿，Z軸方向與ZO一致，按右手笛卡爾坐標(biāo)系確定Y軸方向；在B點(diǎn)建立坐標(biāo)系BXBYBZB;在C點(diǎn)建立坐標(biāo)系CXCYCZC，其中XC指向DP方向；在D點(diǎn)建立坐標(biāo)系DXDYDZD，其中XD指向DP方向，P點(diǎn)工作點(diǎn)在DXDYDZD中的坐標(biāo)為（l3，0，0）。從工件坐標(biāo)系向世界坐標(biāo)系的變換如下式（1）：（1）其中l(wèi)1為AB長(zhǎng)度，l2為BC段長(zhǎng)度，l3為DP長(zhǎng)度，l為CD間的距離，變量以X表示[XOPYOPZOP]，以θ表示變量[θ1θ2θ3l]，則可以用如下式（2）表達(dá)式（1）：Ｘ=f(θ)(2)由此可以解出末端坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的位姿運(yùn)動(dòng)，反解主要是求解位姿運(yùn)動(dòng)方程（1）的反問(wèn)題，是由機(jī)械手的笛卡爾空間到關(guān)節(jié)空間的逆變換，即求解θ1，θ2，θ3，l的過(guò)程。此時(shí)，由于只有三個(gè)方程，但卻有4個(gè)變量，即由于三轉(zhuǎn)動(dòng)一平移，共四個(gè)自由度導(dǎo)致可以出現(xiàn)無(wú)窮解因此一般機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)反解的過(guò)程中，都需要限定其他的條件，以在無(wú)窮解中選取有窮解，這種限定條件一般為：行程最短，功率最省，受力最好，回避障礙或機(jī)械手在工作位置DP臂相對(duì)世界坐標(biāo)系成一固定夾角等，有時(shí)候數(shù)種限定條件一起添加，以獲得最優(yōu)解。假設(shè)此處使用DP臂與世界坐標(biāo)系成一固定夾角和θ1最小為原則，即：θ1+θ2+θ3=?(3)且θ1取最小值。由式（1）（2）（3）綜合，即可以求出運(yùn)動(dòng)方程的反解：θ=?ˉ(X)(4)對(duì)式（2）求一階、二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到在已知θ1，θ2，θ3，1的情況下的P點(diǎn)的各個(gè)坐標(biāo)位置，各坐標(biāo)方向的速度，各坐標(biāo)方向的加速度。同理，對(duì)式(4)求一階，二階導(dǎo)數(shù)，即可以得到在已知P點(diǎn)位置的情況下，綜合限定條件就得到機(jī)械手各轉(zhuǎn)動(dòng)臂的角度、角速度、角加速度，以及平移的距離、速度、加速度。在創(chuàng)建3D模型之前，最好定義各種材料的零件的模板。在建模過(guò)程中，嚴(yán)格按照零件材料選用模板，可以減少輸入密度的工作，對(duì)于各種電機(jī)，傳感器等多種材料的部件，需要計(jì)算出密度并輸入相應(yīng)的模型中。在裝配過(guò)程中，對(duì)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零件之間，在Pro/Engineer中使用關(guān)節(jié)裝配方式，可以省去部分在ADAMS中工作，在添加約束的過(guò)程中，需要詳細(xì)的定義各種運(yùn)動(dòng)副，本文中主要是旋轉(zhuǎn)副和移動(dòng)副。

7結(jié)束語(yǔ)本文介紹的方法，通過(guò)對(duì)四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，使機(jī)械手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程直觀明了，同時(shí)測(cè)量了手部末端的位移、速度隨時(shí)間的變化曲線，及腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃及其控制奠定了基礎(chǔ)，此技術(shù)可以進(jìn)一步指導(dǎo)機(jī)械手的其他控制方面，如軌跡規(guī)劃，最優(yōu)路徑選擇，誤差補(bǔ)償控制等各個(gè)方面，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高了產(chǎn)品的品質(zhì)。研制工業(yè)機(jī)械手越來(lái)越受到人們的關(guān)注，對(duì)機(jī)械手的研究也是日新月異?？梢韵胂?，未來(lái)的工業(yè)機(jī)械手勢(shì)必會(huì)有下面幾種發(fā)展趨勢(shì)：1．工業(yè)機(jī)械手性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降。2．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)，國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。3．工業(yè)機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。4．機(jī)械手應(yīng)用普及，機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。

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致謝在本次論文的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我運(yùn)用了以前所學(xué)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)，查閱了許多有關(guān)機(jī)械手方面的書(shū)籍。在指導(dǎo)老師不辭辛勞的指導(dǎo)和我們這個(gè)小組幾位同學(xué)的幫助下，我順利地完成了這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。論文的完成，雖然凝聚著自己的辛勤與汗水，但是如果沒(méi)有以前老師對(duì)我的培養(yǎng)和教育，沒(méi)有指導(dǎo)老師不厭其煩的指導(dǎo)，沒(méi)有同學(xué)們的熱心幫助，只憑自己的努力，這次論文的質(zhì)量就一定會(huì)大打折扣。在此，向幫助過(guò)我的老師和同學(xué)們，表示衷心的感謝！基于C8051F單片機(jī)直流電動(dòng)機(jī)反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機(jī)MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對(duì)良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機(jī)的通用控制模塊的研究基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機(jī)控制的二級(jí)倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強(qiáng)型51系列單片機(jī)的TCP/IP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的蓄電池自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機(jī)的作物營(yíng)養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機(jī)的交流伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的泵管內(nèi)壁硬度測(cè)試儀的研制基于單片機(jī)的自動(dòng)找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)儀開(kāi)發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機(jī)實(shí)現(xiàn)一種基于單片機(jī)的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機(jī)的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機(jī)的噴油泵試驗(yàn)臺(tái)控制器的研制基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的研究和設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的高速快走絲電火花線切割機(jī)床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機(jī)的機(jī)電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基于PIC單片機(jī)的智能手機(jī)充電器基于單片機(jī)的實(shí)時(shí)內(nèi)核設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的煙氣二氧化硫濃度檢測(cè)儀的研制基于微型光譜儀的單片機(jī)系統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)軟件構(gòu)件開(kāi)發(fā)的技術(shù)研究基于單片機(jī)的液體點(diǎn)滴速度自動(dòng)檢測(cè)儀的研制基于單片機(jī)系統(tǒng)的多功能溫度測(cè)量?jī)x的研制基于PIC單片機(jī)的電能采集終端的設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于單片機(jī)的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機(jī)單片機(jī)控制系統(tǒng)的研制基于單片機(jī)的數(shù)字磁通門(mén)傳感器基于單片機(jī)的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機(jī)的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機(jī)控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機(jī)的多生理信號(hào)檢測(cè)儀基于單片機(jī)的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Pico專用單片機(jī)核的可測(cè)性設(shè)計(jì)研究基于MCS-51單片機(jī)的熱量計(jì)基于雙單片機(jī)的智能遙測(cè)微型氣象站MCS-51單片機(jī)構(gòu)建機(jī)器人的實(shí)踐研究基于單片機(jī)的輪軌力檢測(cè)基于單片機(jī)的GPS定位儀的研究與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機(jī)系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機(jī)的時(shí)控和計(jì)數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機(jī)和CPLD的粗光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究單片機(jī)控制的后備式方波UPS提升高職學(xué)生單片機(jī)應(yīng)用能力的探究基于單片機(jī)控制的自動(dòng)低頻減載裝置研究基于單片機(jī)控制的水下焊接電源的研究基于單片機(jī)的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機(jī)的氚表面污染測(cè)量?jī)x的研制基于單片機(jī)的紅外測(cè)油儀的研究96系列單片機(jī)仿真器研究與設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機(jī)的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于MSP430單片機(jī)的電梯門(mén)機(jī)控制器的研制基于單片機(jī)的氣體測(cè)漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機(jī)的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機(jī)和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究基于單片機(jī)的膛壁溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于AVR單片機(jī)的低壓無(wú)功補(bǔ)償控制器的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)船舶電力推進(jìn)電機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)的振動(dòng)信號(hào)的采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機(jī)的疊圖機(jī)研究與教學(xué)方法實(shí)踐基于單片機(jī)嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn)基于AT89S52單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機(jī)的多道脈沖幅度分析儀研究機(jī)器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機(jī)控制系統(tǒng)基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究基于單片機(jī)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機(jī)的莫爾斯碼自動(dòng)譯碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究基于單片機(jī)的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機(jī)沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)基于Cygnal單片機(jī)的μC/OS-Ⅱ的研究HYPERLINK"/detail.ht