1、四自由度 SCARA 机器人运动仿真分析摘要随着生产力水平和科学技术的日益进步，机器人在工业生产中的应用越来越广泛。机器人仿真是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机构学、运动学、零件建模、仿真和运动控制，是一项综合性的有实用价值的研究课题。本课题以四自由度 SCARA 机器人为研究对象，基于 ADAMS 软件对其进行了运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等方面的进行研究。本课题建立了四自由度 SCARA 机器人整体的模型，并建立了末端机械手的运动学方程，理论分析了其末端机械手的位姿和速度、加速度。从理论对机器人的运动学规律进行研究。利用 ADAMS 对机器人做了运动学和动力学仿真，
2、得到了机器人末端机械手的速度、加速度、位移和力矩参数。仿真分析结果可以为四自由度 SCARA 机器人设计起到支持作用。机器人仿真分析的应用对于提高工业产品的品质，降低产品开发和生产成本具有很大的作用。关键词：四自由度 SCARA 机器人；运动学分析；动力学分析；仿真；ADAMSIIAbstractWith the increasing levels of productivity and science and technology progress, robot applications have become more and more widely used in industrial
3、production. As being a very important aspect of robots, robot simulation which involves mechanism, kinematics, part modeling, simulation and motion control, is a comprehensive subject of practical value. Based on ADAMS software，the paper researched the exercise space, working trajectory, movement ve
4、locity, acceleration and transfer torque of a four-DOF SCARA robot.The subject established the model of a four-DOF SCARA robot and set up the end of the robot manipulator kinematics equations. The paper analyzed the position-postures, velocity and acceleration of the robot in theory. At the same tim
5、e the kinematics law of the robot was studied. In addition, the model was stimulated by software ADAMS to analyze in kinematics and dynamics. Finally the end of the robot manipulator parameters such as velocity, acceleration, displacement, torque was gained.Simulation and analysis results can offer
6、support references to the design ofthe robot. Application of robot simulation for improving the quality of industrial products, reducing product development and production costs have played a very big role.Keywords: four-DOF SCARA robot; kinematics analysis; dynamics analysis; Simulation; ADAMS目录IV第
7、一章绪论11.1 课题背景11.2 研究意义21.3 机械系统动态仿真技术发展概况21.3.1 机械系统动态仿真技术概论21.3.2 机械系统动态仿真技术国内外应用现状31.3.3 ADAM S 在机械系统分析中的应用现状和研究现状41.4 课题主要研究的内容5第二章 四自由度SCARA 机器人的基本结构及建模72.1 四自由度SCARA 机器人基本规格72.2 三维建模软件的基本介绍82.3 基于UG 的四自由度SCARA 机器人的建模及装配112.3.1 四自由度SCARA 机器人的建模概括112.3.2 四自由度SCARA 机器人的建模过程122.4 基于 UG 的四自由度SCARA 机
8、器人装配172.5 本章小结19第三章 四自由度SCARA 机器人的数学模型及分析203.1 四自由度SCARA 机器人的D-H 描述203.1.1 四自由度SCARA 机器人位姿方程的正解213.1.2 四自由度SCARA 机器人位姿方程的逆解223.2 四自由度SCARA 机器人速度加速度的求解233.3 基于matlab 的速度分析243.3 本章小结26第四章 四自由度SCARA 机器人动态仿真分析274.1 机械系统动态仿真分析软件介绍274.2 四自由度SCARA 机器人的运动学模拟及仿真294.2.1 机器人的ADAMS 模型294.2.2 基于ADAMS 的机器人运动学仿真37
9、4.3 基于ADAMS 的机器人的动力学模拟及仿真464.4 本章小结51第五章 结论与展望525.1 结论525.2 技术经济分析报告545.2.1 技术可行性分析545.2.2 经济优越性分析545.3 进一步研究展望54参考文献56致谢58声明59第一章绪论1.1 课题背景随着生产力水平和科学技术的日益进步，在机器人的研究中,建模仿真、运动学计算、动力学计算、优化设计等几个方面的工作非常重要同时工作量又都很大,常见的工作方式是采用不同的软件分别处理,当参数有变动时上述几项工作的改动量很大,非常不灵活,利用Adams 这一优秀软件可将这几项工作有机地结合在一起,从而大大提高工作效率。因此，
10、这是一项综合性的有实用价值的研究课题1。机械系统动力学仿真分析技术是当前设计制造领域的一门新兴技术 ,该技术在计算机上通过 CAD/ CAM/ CAE等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境 ,在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。机器人仿真是机器人研究中的重要环节 ,可应用于机器人运动学、动力学分析 ,轨迹和路径规划 ,机器人与工作环境的相互作用 ,离线编程等方面。随着目前虚拟制造及数字化制造等先进制造技术的发展 ,机器人仿真也成为围绕产品生命周期的整个数字化设计、验证及制造环境的重要组成部分。研究与开发机器人虚拟样机系统 ,可以在虚拟环境中完成以上方面的研究工作 , 为
11、机器人研究及先进制造技术的发展提供新的手段。机械系统动力学仿真分析软件ADAMS 最初由美国公司MD I 公司开发, 是目前最著名的虚拟样机分析软件。ADAMS 是以多体系统动力学理论为基础开发出的大型机械系统仿真分析软件, 使用交互式的图形环境和零件库、约束库、力库等, 能够创建完全参数化的机械系统动力学模型 ，并能对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析2。本研究从机器人运动学和动力学参数设计角度出发 ,利用动力学仿真软件 ADAMS 建立了一套完整的设计过程的方法 ,在进行运动学和动力学仿真过程中,采用无路径的搜索方法 ,在全部的机器人工作空间内进行搜索,最终求取机器人关节的力矩极限
12、值。与以往的简化设计方法相比 ,提高了机器人系统的设计精度 ,很好地解决了机器人本体设计中参数无法精确确定的难题 , 因此对于快速、准确地开发机器人本体、提高机器人性能具有重要意义。16本研究主要利用 ADAMS 的通用建模功能,结合关节型机器人的特点,将动力学分析中的参数选择、求解、运动空间、工作轨迹、运动速度及加速度、转动力矩等作为仿真目标,做出运动仿真分析。1.2 研究意义本研究针对四自由度SCARA 机器人在实际空间中运动轨迹、运动的速度、力和力矩以及可达空间等问题,利用 ADAMS 软件对其进行动态仿真分析,模拟了四自由度SCARA 机器人在实际空间中运动位置变化的全过程,仿真出四自
13、由度 SCARA 机器人在运动中的动力学和运动学的运动状态。实现了缩短设计周期、降低设计成本、预先评估设计等作用和功效。实际操作中,为防止生产出的物理样机无法达到预期的要求提供了有力依据,对机器人的结构设计以及机器人力学的研究具有一定指导意义。机器人运动学主要是把机器人相对于固定参考坐标系的运动作为时间的函数进行分析研究,而不考虑引起这些运动的力和力矩。机器人的运动学分析的是机器人末端操作器的位姿分析、速度分析和加速度分析。在机器人控制中运动学分析占有非常重要的地位。在位姿分析的基础之上,运用机械系统动力学仿真分析软件 ADAMS 对虚拟机械系统进行运动学分析,分别以时间和速度为变量进行仿真,
14、得出了位移、速度和加速度的曲线。本次研究四自由度 SCARA 机器人将利用 ADAMS 软件对其进行动态分析， 而且能为机器人的实体开发提供可靠的数据，降低了开发的成本和失败的风险，不仅效率高，质量好，而且能节省大量人力劳动，还可避免一些不必要的损失和浪费。作为一种工业化机器人，其应用与发展必将给人类带来巨大的经济与社会效益。1.3 机械系统动态仿真技术发展概况1.3.1 机械系统动态仿真技术概论机械系统动态仿真技术， 也叫虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technolo2gy,简称 VPT)。它是一种全新的机械设计方法，作为一项计算机辅助工程(CAE)技术于上个世纪 8
15、0 年代随着计算机技术的发展而出现，在 90年代特别是进入 21 世纪以后得到了迅速发展和广泛应用。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机。机械系统动态仿真技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。1.3.2 机械系统动态仿真技术国内外应用现状1. 机械系统动态仿真技术国内应用现状在国内，虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段，主要是引用国外的先进技术。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。863 项目 “月球表面探测机器人方案研究” 则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境，并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究，取得了很好的成果。各研究院所纷纷开展虚拟样机技术在汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等方面的应用研究、仿真分析及二次开发。通过对虚拟样机各关键技术的深入研究,必将促进虚拟样机技术的推广应用，增强我国企业的产品开发能力。2. 机械系统动态仿真技术国外应用现状在国外，虚拟样机技术的应用在美国非常广泛。我们熟知波音 777 飞机是世界上首架以
