基于Adams的六軸工業機器人的運動學仿真分析

◎李關健 陳文家 王汝夢

基于Adams的六軸工業機器人的運動學仿真分析

◎李關健 陳文家 王汝夢

通過六軸機器人的D-H參數表推導出正運動學的求解公式，并通過末端位姿數值能夠求解出每個關節角的數值，然后利用solidworks三維軟件建立六軸機器人三維本體設計，并通過更改成x-t格式導入到Adams進行約束和驅動操作，即而建立成六軸工業機器人的虛擬樣機。從而對虛擬樣機進行求解分析，然后通過運動仿真模擬機械臂關節的驅動情況，得出其運動曲線，即而驗證模型建立的正確性，為后續的相應的實驗和研究建立良好的基礎。

隨著現代工業的高速發展，工業化機器人日新月異的交替更新，智能化的發展水平越來越高，而且涉及范圍之廣，成為現代生產和高科技研究中一個不可或缺的部分，工業機器人的設計對人類的發展起到了至關重要的作用工業機器人是最典型的機電一體化、數字化裝備，技術附加值很高，應用范圍很廣，作為先進制造業的支撐技術和信息化社會的新興產業，對未來生產和社會發展起著越來越重要的作用，機器人產業的發展需要深厚的工業基礎和科技底蘊，當前我國的機器人發展仍然落后歐美日等發達國家很大的距離。

六軸工業機器人的仿真建模

六軸工業機器人的三維模型建立

采用solidworks三維軟件對本體進行設計，其造型如圖1所示。該工業機器人的結構采用開鏈連桿式的關節結構，組成有：基座、腰部、大臂、肩部、小臂、手腕，而且還包括能夠旋轉的腰關節、肩關節、肘關機、腕關節和手爪關節等等，同時該六軸工業機器人能夠擁有六個自由度，從而能夠實現末端在空間的任何位姿。

虛擬樣機的建立

在solidworks中對本體進行剛體和對零件進行合并，有的小型零部件進行刪除因為在導入Adams軟件中如果零部件太多，對分析的結果會有較大的誤差，而且分析過程會有比較多的錯誤，進行前期工作結束后，把其本體格式改成x-t格式，然后導入到Adams中進行約束的定義。為了對零件進行更好的約束以及后續的操作，對相應的零件進行修改成相應的名稱，然后對其零部件進行運動副約束，基本約束，并且添加相應的載荷，在進行仿真之前需要把基座和底座進行固定約束，這樣的模型才能夠進行正確的仿真。如圖2所示為虛擬樣機的模型

連桿參數和運動學分析

機器人的運動學分析包括位移、速度和加速度等分析問題，實際上是對于機器人的末端執行器的一個簡單位姿研究末端執行器的幾何學問題，即位移問題。運動學要區分兩個問題，即運動學正問題和逆問題［1］。機器人中桿與桿之間關系可以用四個運動學參數進行描述，采用Denavit-Hartenberg參數方法描述機構的運動關系，在桿件上建立坐標系，根據坐標系所在連桿的編號對固連坐標系命名，固連在連桿i上的坐標系稱為坐標系｛i｝采用D-H方法確定各個連個連桿之間的參數。如表一

運用每個關節角可以求解末端的位姿，也可以通過末端位姿的參數，逆解出每個關節角的參數，為后面分析提供依據。

運動仿真與分析六軸工業機器人的動態仿真

在Adams/View界面中進行相應的動態仿真和可以進行機電一體化的系統仿真分析，從而對相應的本體進行準確的理論仿真。在仿真之前對每個零件、關節進行相應的約束和驅動，設置參數Trax Step5（time，1，0，2，300）和Traz Step5（time，0，0，1，500）模擬其運動的情況，分析得出本體的動態仿真情況。對六軸工業機器人的腰關節、大臂關節、肩關節、小臂關節、腕關節進行相應的約束和驅動，從而來模擬樣機中復雜的運動，設置相應的驅動參數，分析末端、小臂、大臂幾個重要關節變量的速度測量，位移測量。運動后的獲得曲線圖如圖3、 圖4。

圖3、六軸工業機器人末端、小臂、大臂、幾個重要關節變量的速度曲線圖

圖4、六軸工業機器人末端、小臂、大臂幾個重要關節變量的位移曲線圖

由正運動學分析不但能夠得出的末端的位姿的參數值，通過逆運動學分析由末端位姿參數值能夠求解出每個關節參數值，一般逆解中會出現多重解，會從中擇優選出一組數據，并為機器人其余的分析研究打下基礎，利用solidworks軟件的三維建模能力對本體進行模型的建立，并通過相應的處理導入到Adams軟件中，進行相應的零部件的約束和驅動的添加，從而獲得相應的虛擬樣機，即而進行動態仿真分析，從分析得出的運動曲線圖中可以看出本體設計的模型完全正確，符合設計要求，對后續的優化改造、六軸工業機器人的運動控制和相應的標定實驗提供了良好的依據。

（作者單位：揚州大學機械工程學院）