基于Adams的六轴工业机器人的运动学仿真分析

◎李关健 陈文家 王汝梦

基于Adams的六轴工业机器人的运动学仿真分析

◎李关健 陈文家 王汝梦

通过六轴机器人的D-H参数表推导出正运动学的求解公式，并通过末端位姿数值能够求解出每个关节角的数值，然后利用solidworks三维软件建立六轴机器人三维本体设计，并通过更改成x-t格式导入到Adams进行约束和驱动操作，即而建立成六轴工业机器人的虚拟样机。从而对虚拟样机进行求解分析，然后通过运动仿真模拟机械臂关节的驱动情况，得出其运动曲线，即而验证模型建立的正确性，为后续的相应的实验和研究建立良好的基础。

随着现代工业的高速发展，工业化机器人日新月异的交替更新，智能化的发展水平越来越高，而且涉及范围之广，成为现代生产和高科技研究中一个不可或缺的部分，工业机器人的设计对人类的发展起到了至关重要的作用工业机器人是最典型的机电一体化、数字化装备，技术附加值很高，应用范围很广，作为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，对未来生产和社会发展起着越来越重要的作用，机器人产业的发展需要深厚的工业基础和科技底蕴，当前我国的机器人发展仍然落后欧美日等发达国家很大的距离。

六轴工业机器人的仿真建模

六轴工业机器人的三维模型建立

采用solidworks三维软件对本体进行设计，其造型如图1所示。该工业机器人的结构采用开链连杆式的关节结构，组成有：基座、腰部、大臂、肩部、小臂、手腕，而且还包括能够旋转的腰关节、肩关节、肘关机、腕关节和手爪关节等等，同时该六轴工业机器人能够拥有六个自由度，从而能够实现末端在空间的任何位姿。

虚拟样机的建立

在solidworks中对本体进行刚体和对零件进行合并，有的小型零部件进行删除因为在导入Adams软件中如果零部件太多，对分析的结果会有较大的误差，而且分析过程会有比较多的错误，进行前期工作结束后，把其本体格式改成x-t格式，然后导入到Adams中进行约束的定义。为了对零件进行更好的约束以及后续的操作，对相应的零件进行修改成相应的名称，然后对其零部件进行运动副约束，基本约束，并且添加相应的载荷，在进行仿真之前需要把基座和底座进行固定约束，这样的模型才能够进行正确的仿真。如图2所示为虚拟样机的模型

连杆参数和运动学分析

机器人的运动学分析包括位移、速度和加速度等分析问题，实际上是对于机器人的末端执行器的一个简单位姿研究末端执行器的几何学问题，即位移问题。运动学要区分两个问题，即运动学正问题和逆问题［1］。机器人中杆与杆之间关系可以用四个运动学参数进行描述，采用Denavit-Hartenberg参数方法描述机构的运动关系，在杆件上建立坐标系，根据坐标系所在连杆的编号对固连坐标系命名，固连在连杆i上的坐标系称为坐标系｛i｝采用D-H方法确定各个连个连杆之间的参数。如表一

运用每个关节角可以求解末端的位姿，也可以通过末端位姿的参数，逆解出每个关节角的参数，为后面分析提供依据。

运动仿真与分析六轴工业机器人的动态仿真

在Adams/View界面中进行相应的动态仿真和可以进行机电一体化的系统仿真分析，从而对相应的本体进行准确的理论仿真。在仿真之前对每个零件、关节进行相应的约束和驱动，设置参数Trax Step5（time，1，0，2，300）和Traz Step5（time，0，0，1，500）模拟其运动的情况，分析得出本体的动态仿真情况。对六轴工业机器人的腰关节、大臂关节、肩关节、小臂关节、腕关节进行相应的约束和驱动，从而来模拟样机中复杂的运动，设置相应的驱动参数，分析末端、小臂、大臂几个重要关节变量的速度测量，位移测量。运动后的获得曲线图如图3、 图4。

图3、六轴工业机器人末端、小臂、大臂、几个重要关节变量的速度曲线图

图4、六轴工业机器人末端、小臂、大臂几个重要关节变量的位移曲线图

由正运动学分析不但能够得出的末端的位姿的参数值，通过逆运动学分析由末端位姿参数值能够求解出每个关节参数值，一般逆解中会出现多重解，会从中择优选出一组数据，并为机器人其余的分析研究打下基础，利用solidworks软件的三维建模能力对本体进行模型的建立，并通过相应的处理导入到Adams软件中，进行相应的零部件的约束和驱动的添加，从而获得相应的虚拟样机，即而进行动态仿真分析，从分析得出的运动曲线图中可以看出本体设计的模型完全正确，符合设计要求，对后续的优化改造、六轴工业机器人的运动控制和相应的标定实验提供了良好的依据。

（作者单位：扬州大学机械工程学院）