1、三維動態(tài)模擬在機器人設計中的應用一、引言工業(yè)機器人是近 30 年來在自動操作機基礎上發(fā)展起來的一種能模仿人的某些動作和控制功能，并按照可變的預定程序、軌跡及其他要求操縱工具實現(xiàn)多種操作的自動化機械系統(tǒng)。它綜合了精密機械、控制傳感器和自動控制技術等領域的最新成果，在工廠自動化和柔性生產系統(tǒng)中起著關鍵的作用，并已廣泛應用到工農業(yè)生產、航天航空和軍事技術等各個領域。工業(yè)機器人的大力發(fā)展使得工業(yè)機器人的設計成為一個突出的課題。由于工業(yè)機器人的一、引言工業(yè)機器人是近 30 年來在自動操作機基礎上發(fā)展起來的一種能模仿人的某些動作和控制功能，并按照可變的預定程序、軌跡及其他要求操縱工具實現(xiàn)多種操作的自動化機

2、械系統(tǒng)。它綜合了精密機械、控制 傳感器和自動控制技術等領域的最新成果，在工廠自動化和柔性生產系統(tǒng)中起著關鍵的作用，并已廣泛應用到工農業(yè)生產、航天航空和軍事技術等各個領域。工業(yè)機器人的大力發(fā)展使得工業(yè)機器人的設計成為一個突出的課題。由于工業(yè)機器人的研究是作為一個系統(tǒng)進行的，必須從總體出發(fā)研究其系統(tǒng)內部各組成部分和外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關系。在通常情況下設計的第一步是要對工業(yè)機器人的相關技術參數(shù)進行可行性分析 , 這些技術參數(shù)主要包括 : 自由度、工作空間、額定負載、運動速度、分辨率、位姿和軌跡的準確性和重復精度等。在設計過程需建立相關的機構模型，通過計算機器人的運動學和動力學方程的正解或逆解來

3、了解這些基本參數(shù)的情況，而這需要花費設計人員大量的時間，特別是在對新產品的開發(fā)上，找到一種簡潔、直觀、快速的分析方式解決這一問題是當務之急。隨著計算機技術的普及與不斷發(fā)展，特別是三維繪圖軟件出現(xiàn)，使CAD技術又躍上了一個臺階。用三維繪圖軟件對設計參數(shù)進行三維動態(tài)模擬，對工業(yè)機器人的設計應該是一種高效、直接的方式，這種方式直觀、形象，更重要的是降低了企業(yè)新產品的設計周期和成本，是一種行之有效的辦法。本文以三維繪圖軟件中的 INVENTOR軟件作為應用的對象，介紹INVENTOR軟件進行機器人設計的三維動態(tài)模擬的應用方法。二、運用 INVENTOR軟件對機器人的設計進行三維動態(tài)模擬的可行性在機器人

4、的設計中，各技術參數(shù)的機器人位姿、軌跡和工作空間的分析是首要的、必須的。要滿足工作需求，機器人工作狀態(tài)應該滿足某種條件。如下圖在裝配生產線中要設計一機器人來完成對物料的裝配，要求機器人完成對 1#和 2#兩個位置物料的裝配。在這里要模擬滿足工作需要的機器人必須是在三維空間中運動的，并且要把機器人完成的動作進行必要的分解，被分解的動作是運動的兩種基本形式：移動或旋轉。使用的相關軟件能三維動態(tài)地模擬機器人的運動過程，從而得到相應的位姿、軌跡和工作空間。在模擬的過程中，要求該軟件可以提供參數(shù)化的設計，在對機器人的相關參數(shù)進行修改后，可隨時觀察機器人的運動狀態(tài)。INVENTOR軟件具備上述的幾個條件，

5、它具有以下特點：首先它是三維繪圖軟件，可根據(jù)草圖的繪制得到基于特征造型的各種零件；在構造出的零件以后，可以創(chuàng)建裝配圖，形成相關的裝配體，這一組裝的機器人可近似地表達其大致的立體結構。其次， INVENTOR軟件可實現(xiàn)裝配體的動態(tài)模擬，這主要依賴于它的表達視圖的功能，在表達視圖中，可對機器人運動部件進行模擬，基本的運動形式是移動和旋轉，在此基礎上由這兩種基本的運動形式可形成更多的運動。這種表達視圖所形成的動畫以 AVI 文件形式被保存下來，以備修改。此外， INVENTOR軟件還是一種基于參數(shù)化的、具有自適應功能的軟件，它可對設計的各參數(shù)進行修改，當零件的參數(shù)修改后，其相應的裝配體模型、工程圖模

6、型已將隨之改變。最后， INVENTOR軟件可根據(jù)三維模型自動形成二維工程圖紙，在二維工程圖紙中，根據(jù)設計者需要選擇表達方案，快速標注相關的尺寸。INVENTOR軟件的這些條件可以幫助我們完成機器人運動的三維動態(tài)模擬，提高設計的效率和質量。下面就上例介紹以下INVENTOR軟件三維動態(tài)模擬的具體方法。三、運用 INVENTOR軟件對機器人進行三維動態(tài)模擬的方法為實現(xiàn)上述工作任務，我們選擇基于關節(jié)型的 SCARA機器人，完成將物料從 1#到 3#，從 2#到 4#的裝配。我們首先根據(jù) SCARA機器人的構造創(chuàng)建機器人的各主要零件，主要通過繪制草圖構造機器人各主要零件的三維模型。完成各零件后，要新

7、建裝配體，選擇合適的裝配約束將各零件組裝起來。完成裝配體的裝配后，新建表達視圖。將裝配體文件調入，對裝配體的運動部件進行運動設置。具體方法如下：點擊調整零部件位置按鈕，選擇運動的零部件，在方向這一選項中選擇坐標系OXYZ，將坐標系移動到所選的零部件的適當位置上，在平移選項上選擇移動或旋轉，根據(jù)在零部件上所選的坐標系方向，選擇 X 軸或 Y 軸或 Z 軸上的運動，平移運動可根據(jù)坐標軸的方向輸入相關移動距離的代數(shù)值，旋轉運動要選擇相應的旋轉的角度，如果整周旋轉，應選 360°。如果是復合運動，可同時選擇相應的多個坐標系方向。如沿 Z 軸的螺旋運動，應選擇零部件，設好 Z 軸方向，在移動選項設距離，在旋動選項設角度。如圖所示為 SCARA機器人的運動設置。在設置好運動參數(shù)后，點擊動畫按鈕，在參數(shù)選項設置時間的間隔以及重復的次數(shù)，在動畫的順序中設置機器人各零部件運動的次序，可通過上移和下移調節(jié)各零部件運動的順序，通過組合和分解調整復合運動的組成。如沿 Z 軸的螺旋運動，將 Z 軸的平移運動和 Z 軸的旋動運動組合起來。設好所有參數(shù)后，可在表達視圖瀏覽器中觀察到相應的設置，點擊錄制動畫按鈕，將其保存為 AVI 文件。這樣通過對 SCARA機器人的三維模擬運動，從而觀察和檢驗設計參數(shù)的正確與否。進行參數(shù)化設計時，要在相關零部件的立體圖中，把設計參數(shù)設為變量。改變設計變量后