三維動(dòng)態(tài)模擬在機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一、引言

　　工業(yè)機(jī)器人是近30年來在自動(dòng)操作機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能模仿人的某些動(dòng)作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡及其他要求操縱工具實(shí)現(xiàn)多種操作的自動(dòng)化機(jī)械系統(tǒng)。它綜合了精密機(jī)械、控制傳感器和自動(dòng)控制技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果，在工廠自動(dòng)化和柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，并已廣泛應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天航空和軍事技術(shù)等各個(gè)領(lǐng)域。

　　工業(yè)機(jī)器人的大力發(fā)展使得工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)成為一個(gè)突出的課題。由于工業(yè)機(jī)器人的研究是作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行的，必須從總體出發(fā)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分和外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。在通常情況下設(shè)計(jì)的第一步是要對(duì)工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行可行性分析,這些技術(shù)參數(shù)主要包括:自由度、工作空間、額定負(fù)載、運(yùn)動(dòng)速度、分辨率、位姿和軌跡的準(zhǔn)確性和重復(fù)精度等。在設(shè)計(jì)過程需建立相關(guān)的機(jī)構(gòu)模型，通過計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程的正解或逆解來了解這些基本參數(shù)的情況，而這需要花費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間，特別是在對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)上，找到一種簡(jiǎn)潔、直觀、快速的分析方式解決這一問題是當(dāng)務(wù)之急。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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(shù)又躍上了一個(gè)臺(tái)階。用三維繪圖軟件對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)應(yīng)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(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(yīng)用的對(duì)象，介紹INVENTOR軟件進(jìn)行機(jī)器人設(shè)計(jì)的三維動(dòng)態(tài)模擬的應(yīng)用方法。

二、運(yùn)用INVENTOR軟件對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬的可行性

　　在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，各技術(shù)參數(shù)的機(jī)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(jī)器人工作狀態(tài)應(yīng)該滿足某種條件。如下圖在裝配生產(chǎn)線中要設(shè)計(jì)一機(jī)器人來完成對(duì)物料的裝配，要求機(jī)器人完成對(duì)1#和2#兩個(gè)位置物料的裝配。

　　在這里要模擬滿足工作需要的機(jī)器人必須是在三維空間中運(yùn)動(dòng)的，并且要把機(jī)器人完成的動(dòng)作進(jìn)行必要的分解，被分解的動(dòng)作是運(yùn)動(dòng)的兩種基本形式：移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)。使用的相關(guān)軟件能三維動(dòng)態(tài)地模擬機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，從而得到相應(yīng)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(shè)計(jì)，在對(duì)機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改后，可隨時(shí)觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

INVENTOR軟件具備上述的幾個(gè)條件，它具有以下特點(diǎn)。

　　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(gòu)造出的零件以后，可以創(chuàng)建裝配圖，形成相關(guān)的裝配體，這一組裝的機(jī)器人可近似地表達(dá)其大致的立體結(jié)構(gòu)。其次，INVENTOR軟件可實(shí)現(xiàn)裝配體的動(dòng)態(tài)模擬，這主要依賴于它的表達(dá)視圖的功能，在表達(dá)視圖中，可對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行模擬，基本的運(yùn)動(dòng)形式是移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上由這兩種基本的運(yùn)動(dòng)形式可形成更多的運(yùn)動(dòng)。這種表達(dá)視圖所形成的動(dòng)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(yīng)功能的軟件，它可對(duì)設(shè)計(jì)的各參數(shù)進(jìn)行修改，當(dāng)零件的參數(shù)修改后，其相應(yīng)的裝配體模型、工程圖模型已將隨之改變。最后，INVENTOR軟件可根據(jù)三維模型自動(dòng)形成二維工程圖紙，在二維工程圖紙中，根據(jù)設(shè)計(jì)者需要選擇表達(dá)方案，快速標(biāo)注相關(guān)的尺寸。

　　INVENTOR軟件的這些條件可以幫助我們完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)態(tài)模擬，提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。下面就上例介紹以下INVENTOR軟件三維動(dòng)態(tài)模擬的具體方法。

三、運(yùn)用INVENTOR軟件對(duì)機(jī)器人進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬的方法

　　為實(shí)現(xiàn)上述工作任務(wù)，我們選擇基于關(guān)節(jié)型的SCARA機(jī)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(jī)器人的構(gòu)造創(chuàng)建機(jī)器人的各主要零件，主要通過繪制草圖構(gòu)造機(jī)器人各主要零件的三維模型。完成各零件后，要新建裝配體，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(dá)視圖。將裝配體文件調(diào)入，對(duì)裝配體的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)設(shè)置。具體方法如下：點(diǎn)擊調(diào)整零部件位置按鈕，選擇運(yùn)動(dòng)的零部件，在方向這一選項(xiàng)中選擇坐標(biāo)系OXYZ，將坐標(biāo)系移動(dòng)到所選的零部件的適當(dāng)位置上，在平移選項(xiàng)上選擇移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)，根據(jù)在零部件上所選的坐標(biāo)系方向，選擇X軸或Y軸或Z軸上的運(yùn)動(dòng)，平移運(yùn)動(dòng)可根據(jù)坐標(biāo)軸的方向輸入相關(guān)移動(dòng)距離的代數(shù)值，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)要選擇相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度，如果整周旋轉(zhuǎn)，應(yīng)選360°。如果是復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)選擇相應(yīng)的多個(gè)坐標(biāo)系方向。如沿Z軸的螺旋運(yùn)動(dòng)，應(yīng)選擇零部件，設(shè)好Z軸方向，在移動(dòng)選項(xiàng)設(shè)距離，在旋動(dòng)選項(xiàng)設(shè)角度。如圖所示為SCARA機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)設(shè)置。

　　在設(shè)置好運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，點(diǎn)擊動(dòng)畫按鈕，在參數(shù)選項(xiàng)設(shè)置時(shí)間的間隔以及重復(fù)的次數(shù)，在動(dòng)畫的順序中設(shè)置機(jī)器人各零部件運(yùn)動(dòng)的次序，可通過上移和下移調(diào)節(jié)各零部件運(yùn)動(dòng)的順序，通過組合和分解調(diào)整復(fù)合運(yùn)動(dòng)的組成。如沿Z軸的螺旋運(yùn)動(dòng)，將Z軸的平移運(yùn)動(dòng)和Z軸的旋動(dòng)運(yùn)動(dòng)組合起來。

　　設(shè)好所有參數(shù)后，可在表達(dá)視圖瀏覽器中觀察到相應(yīng)的設(shè)置，點(diǎn)擊錄制動(dòng)畫按鈕，將其保存為AVI文件。這樣通過對(duì)SCARA機(jī)器人的三維模擬運(yùn)動(dòng)，從而觀察和檢驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)的正確與否。

　　進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，要在相關(guān)零部件的立體圖中，把設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)為變量。改變?cè)O(shè)計(jì)變量后，相關(guān)的零部件、表達(dá)視圖及動(dòng)畫文件都會(huì)隨之變化，這樣就可以觀察出該參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響，從而調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)改進(jìn)機(jī)構(gòu)。

四、結(jié)束語

　　綜上所述，用INVENTOR軟件進(jìn)行機(jī)器人的三維動(dòng)態(tài)模擬對(duì)設(shè)計(jì)是很有幫助的，它使設(shè)計(jì)更加直觀、形象，能夠提高機(jī)器人設(shè)計(jì)的質(zhì)量。