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進行可行性分析,這些技術參數主要包括: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了解這些基本參數的情況，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，使CAD技術又躍上了一個臺階。用三維繪圖軟件對設計參數進行三維動態(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

　　在機器人的設計中，各技術參數的機器人位姿、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化的設計，在對機器人的相關參數進行修改后，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，它具有以下特點。

　　首先它是三維繪圖軟件，可根據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化的、具有自適應功能的軟件，它可對設計的各參數進行修改，當零件的參數修改后，其相應的裝配體模型、工程圖模型已將隨之改變。最后，INVENTOR軟件可根據三維模型自動形成二維工程圖紙，在二維工程圖紙中，根據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，平移運動可根據坐標軸的方向輸入相關移動距離的代數值，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。

　　在設置好運動參數后，點擊動畫按鈕，在參數選項設置時間的間隔以及重復的次數，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的正確與否。

　　進行參數化設計時，要在相關零部件的立體圖中，把設計參數設為變量。改變設計變量后，相關的零部件、表達視圖及動畫文件都會隨之變化，這樣就可以觀察出該參數對機構運動的影響，從而調整設計參數改進機構。

四、結束語

　　綜上所述，用INVENTOR軟件進行機器人的三維動態(tài)模擬對設計是很有幫助的，它使設計更加直觀、形象，能夠提高機器人設計的質量。