摘要
虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。
ADAMS软件是目前国际上应用最为广泛的虚拟样机分析软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。但针对复杂的机器人机械系统，要想准确的控制其运动，仅依靠ADAMS软件自身也很难做到；MA TLAB软是Mathworks公司开发的一种集计算、图形可视化和编辑功能于一体的优秀数学应用软件，具有强大的计算能力，能够建立复杂的控制模型准确控制复杂机器人系统的运动；OpenGL（开放式图形库全称）是SGI公司开发的底层三维图形API，目前在图形开发领域已成为工业标准。使用OpenGL可以创建视觉质量接近射线跟踪程序的精致漂亮的3D图形。Visual C++ 6.0已经成为集编辑、编译。运行、调试为一体的功能强大的集成编程环境，在Windows编程中占有重要地位。OpenGL和Visual C++ 6.0有紧密接口，利用二者可以开发出优秀的视镜仿真系统。ADAMS、MA TLAB和Visual C++ 6.0由于定位不同，都有各自的优势和缺点，但是三者之间又可以通过接口联合控制或者混合编程。本文分别利用ADAMS对三自由度机器人的运动学和轨迹优化方案进行研究，利用Visual C++ 6.0、OpenGL和从MATLAB里导出的控制模型的数据对三自由度机器人进行了视景仿真的研究。
论文首先通过建立坐标系和矩阵变换，对刚体的空间表示进行了阐述，然后采用通用的D-H法则，将机器人关节角度参数化，推导出其正运动学方程和逆运动关节角，并计算出机器人手部的初始坐标。其次采用ADAMS软件，详细介绍了机器人三维建模过程，包括整体框架构建，单个构件绘图和布尔运算等，并对机器人关节点进行了参数化设计。最后从机器人轨迹规划的基本原理和方法出发，比较分析了关节空间轨迹规划和直角坐标空间轨迹规划的差别，并采用三次多项式和五次多项式对机器人进行了轨迹规划，利用ADAMS软件中内嵌的Step函数对运动轨迹进行了仿真分析。然后在Windows XP Professional的系统环境下，以Visuall C++6.0为开发工具，建立了三自由度机械手视景仿真系统模型，实现了仿真系统对MA TLAB控制模型导出数据的读取和利用。
关键词:运动学轨迹规划ADAMS虚拟样机技术视景仿真纹理映射
目录
A 全新的研发模式 (1)
B 研发成本低、周期短、产品质量高 (1)
C 实现了动态联盟 (2)
（2）关节空间内五次多项式轨迹规划 (7)
（4）直角空间轨迹规划 (7)
（2）五次多项式轨迹规划仿真分析 (8)
（3）轨迹规划比较分析 (8)
Abstract
Before manufacturing the first physical prototype, the designers used computer technology to build a mechanical system of digital model for analysis simulation, which showed that the system works in real conditions of the various characteristics, so as to be revised and Optimal design. This process is called Virtual prototyping technology.
Now ADAMS software is widely used in virtual prototyping analysis in the world, it is very convenient for the user to use this software ot do the statics, kinematics and dynamics analysis for the virtual machine system.But to the complicated robot mechanical system,it is also very hard to do the accurate control of its movement only rely on ADAMS software itself ;MATLAB is one of the outstanding mathematics application software integrating calculation, graphical visualization and editing functions developed by the Mathworks company , and it has strong ability in complex calculation, being able to create the control model to do accurate control of the robot system's complicated movement . OpenGL(the full name of Open graphics libraries) is a 3D graphics Application Programming Interface in the bottom,now having been the industry standard in the area of graphics developing.You can create delicate and beautiful 3D graphics using OpenGL,whose visual quality is close to ray tracing program . Visual C + + 6.0 has become powerful integrated programming environment with editing, compiling. Operating and debugging, and occupies an important position in the Windows programming. Visual C + + 6.0 and OpenGL has close interface, using them we can develop good endoscopic simulation system. Because of the different due , ADAMS, Visual C + + 6.0 and MA TLAB have their own respective advantages and disadvantages, but we can also do the joint control or mixing programming through the interface between the three.In this paper, the author do research tokinematics and track optimization scheme of 3-dof robot based on ADAMS , also do the Visual simulation research of 3-dof robot using the data of the control model derived from the MATLAB based on Visual C + + 6.0 and OpenGL.
First of all, through the establishment of coordinates and matrix transformation, the rigid body of the space that was elaborated, and then use the D-H rule, Robot parameters of the joint were gained, equations of motion were given, and the joints angle were known , initial coordinates of Robot hand can be calculated. Followed by ADAMS software, we processed details of the robot three-dimensional modeling, including the overall framework for building, mapped a single component and Boolean operation, designed parameters for the robot and the key points. Finally, we introduced the basic principles and methods of robot trajectory planning, and compared differences between the joint space trajectory planning and rectangular coordinates space trajectory planning. the cubic polynomial and five polynomial of the robot trajectory planning were carried out, the Step function were used on a trajectory simulation analysis of ADAMS software.Then in Windows XP system environment, using Visual C + + 6.0 as development tool, the author establish a 3-dof manipulator visual simulation system, realizing the accessing and using to the data of control model derived from MATLAB .
Key words: kinematics trajectory planning ADAMS virtual prototyping technology Visual simulation Texture mapping
第一章绪论
1.1工业机器人的发展现状
1961年，美国的Consolided Control Corp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。如，2004年德国汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为1140台。在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。
在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。2004年全年国产工业机器人数量（主要指在国内生产和组装的）突破1400台，产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台，进口额达到2.6亿美元。国内各个工业机器人厂家都呈现出产销两旺的局面。截至2004年底，我国工业机器人市场已经突破30亿元人民币。现阶段，我国工业机器人正逐步发展成为一种有影响力的产业。
1.2虚拟样机技术简介
1.2.1虚拟样机的定义和特点
虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。它具有以下特点：
A 全新的研发模式
虚拟样机技术实现了系统性的产品优化,使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征,从而获得最优工作性能。
B 研发成本低、周期短、产品质量高
通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,不但减少了物理样机的数量,降低了成本,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。
C 实现了动态联盟
广泛地采用动态联盟, 通过Internet共享和交流，临时缔结成的一种虚拟企业，适应了快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性。
1.2.2研究现状和发展趋势
虚拟样机技术在一些较发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、到医学以及工程咨询等很多方面。
美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)研制的火星探测器“探路号”，就是JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究研发的。美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术,不但缩短了研发周期、降低了研发成本,而且确保了最终产品一次接装成功。
我国从“九五”期间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术,主要研究集中在虚拟样机的概念、系统结构以及相关的支撑技术,应用多集中在一些高精尖领域。近年来,才尝试着将虚拟样机技术用于一般机械的开发研制。天津大学与河北工业大学采用虚拟样机技术联合开发了冲击式压实机,对其进行了仿真计算,得到各部件的运动规律曲线,验证了压实机各部件参数值的合理性。
虚拟样机概念正向广度和深度发展,今后的虚拟样机技术将更加强调部件、技术、知识的重用,强调便于虚拟样机柔性协同的运行管理的组织重构,强调跨领域技术的沟通支持，重点在以下几个方面进行研究：
（1）基于虚拟样机的优化设计；
（2）以虚拟样机为中心的并行设计设计；
（3）分析和仿真工具的集成；
（4）虚拟样机系统的容错性研究。
1.3视景仿真技术简介
1.3.1视景仿真的定义和特点
视景仿真又称虚拟仿真虚拟现实仿真。它是21世纪最有前景的高科技技术之一，它是计算机技术，图形图象技术，光学技术，控制技术等多种高科技的结合，是延伸人类感觉器官的一门科学，通过对现实世界或者是人类想象的虚拟世界进行三维建模并实时驱动，通过头盔显示器或者三维投影技术显示出来。
视景仿真(Visual Simulation)是一种基于可计算信息的沉浸式交互环境，具体地说，就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的设备以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互作用、相互影响，从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。其作为计算机技术中最为前沿的应用领域之一，它已经广泛应用于虚拟现实、模拟驾驶、场景再现、城市规划及其它应用领域。计算机仿真又称全数字仿真，是根据相似原理，利用计算机来逼真模仿研究系统中的研究对象，将研究对象进行数学描述，建模编程，并且在计算机中运行实现．作为计算机仿真的组成部分，视景仿真采用计算机图形图像技术，根据仿真的目的．构造仿真对象的三维模型并再现真实的环境，达到非常逼真的仿真效果．目前，视景仿真技术在我国已广泛应用于各种研究领域：军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等．视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用
1.3.2工业机器人视景仿真系统研究的意义
由于机器人价格昂贵,以及机器人的作业空间需要较大而独立的试验场地等诸多原因,不可能达到每个需要学习机器人的人都能亲自操作机器人的要求。而可视化技术的出现,使得人们能够在三维
图形世界中观察机器人,并通过计算机交互式对机器人进行示教仿真。基于VC++6.0的OpenGL 上的工业机器人的视景仿真系统可以提供一个真实的实验平台，在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供一个和机器人进行交互的虚拟环境。此系统充分利用OpenGL 的实时交互性，模拟工业机器人的示教/再现过程，可以在此系统上编辑工业机器人的程序并动态模拟工业机器人的运动过程，观察工业机器人的运动结果，检验所编写工业机器人程序的正确性。进行实物实验之前，可以先在仿真系统上进行模拟仿真，观察实验的运动过程以及运动结果，避免直接在现实中操作对工业机器人及周围物体可能造成的伤害。另外，对于刚接触工业机器人的操作员来说，此系统可以提供与现实工业机器人几乎相同的操作步骤，在操作员真正操作工业机器人之前，可以增加其操作的熟练程度，增加安全系数。
1.4本文要研究的主要内容
为了简化研究，本文采用一个3自由度关节机器人，分别通过ADAMS软件的建模和仿真，结合MATLAB的运算功能，进行了机器人运动学分析和空间坐标的轨迹规划，实现运动轨迹的最优化。又在Windows XP环境下，利用Visual C++6.0和OpenGL完成了基于模型的视景仿真系统的设计与实现，具体工作如下：
（1）进行运动学分析。按照通用的D-H法则，通过矩阵变换，得到了机器人的正运动学方程和初始坐标，推导出机器人逆运动学的关节角度。
（2）在ADAMS/View中构造机器人部件，运用约束库中的移动和旋转副对部件进行链接，添加驱动力，实现机器人的运动，完成三维建模。
（3）对机器人的运行轨迹进行多项式优化，利用ADAMS/View的仿真和后处理模块，绘制小臂末端处所取点的位置、速度、加速度、角速度和角加速度曲线，结合曲线进行三次多项式和五次多项式轨迹规划的仿真分析，并进行比较分析。
（4）利用Visual C++6.0和OpenGL导入并建立机械手模型，建立仿真场景，实现基于模型数据的运动仿真，并实现视角的交互式键盘控制。
第三章基于ADAMS的机器人的虚拟样机分析
3.1 ADAMS概述
美国MSC.Software公司在2003年3月收购了全球最大机构的仿真软件、咨询服务、系统集成供应商MDI/ADAMS。MSC.Software公司的ADAMS软件是虚拟样机领域内广泛使用的软件,可以使工程师、设计人员能够在物理样机构造前,建立机械系统的“模拟样机”,预估出机器的工作性能。ADAMS软件具有如下特点:
（1）分析类型包括运动学、静力学分析以及线性和非线性动力学分析
（2）具有二维和三维建模能力
（3）具有50余种联结副、力和发生器组成的库和强大的函数库
（4）具有组装、分析和动态显示模型的功能，包含刚体和柔体分析
（5）具有与CAD、UG、Pro/E、Matlab、ANSYS等软件的专用接口
（6）具有开放式结构,允许用户集成自己的子程序
基于ADAMS的虚拟样机技术是在制造物理样机前,利用计算机技术建立该产品的数学模型,通过基于实体的可视化仿真分析,模拟该系统在实际工作环境中的运动学和动力学特性,并反复修改设计,从而得到最优方案。
A 创建模型
创建机械系统模型时,首先要创建构成模型的各个零部件。零部件创建完后,需要使用运动关节约束库创建零部件之间的约束副,确定部件之间的连接情况以及仿真过程中构件之间的位置关系。最后,施加运动及各种载荷使样机按照设计要求进行仿真。
B 测试验证模型并细化
模型创建过程中和完成后,都可以对模型进行运动仿真测试。通过对模型的性能测试,验证设计方案的正确性，然后,在模型中增加更复杂的因素,进一步细化模型。为便于不同方案的比较,通过设计变量不同取值的迭代仿真,求出设计变量的最优值。
C 优化设计
采用设计和优化分析的研究手段，确定各个设计变量相对于解算结果的灵敏度并最终确定目标函数的最优值。
3.2 ADAMS中机器人模型的建立
本文机械手模型参考了PUMA机器人的结构，建模过程中依照模块化的思想先绘制各个部件，然后通过布尔运算和参数的调整，完成建模。
3.2.1设置建模环境
打开ADAMS/View,选择创建新模型，将机械手模型命名为model_2jixieshou,其他采用系统默认值，进入建模界面。
在建模界面中，首先要设定工作栅格，点击菜单Settings中的Working Gird.如图3-1所示，根据建模需要，栅格范围设置为1000×1000（mm）,大小为50×50（mm）。
图3-1 工作栅格设置
设置完工作栅格就可以开始建模。
3.2.2机器人实体建模
ADAMS/View中集成了很多图形模板，包括点，线，面，体各方面。我们构建的是机器人的三维立体模型，其主要部件都是刚体。ADAMS中的刚体模板包括圆柱，圆锥，长方体，球体，拉伸体，平板等。我们选择圆柱体（圆盘）作为机器人的底座，圆柱体作为机器人的腰部，拉伸体作为机器人的手臂。在建模过程中，作者一直根据模块化的原则，在建立每一个部件的过程中都同时通过布尔运算等对模块进行优化，很好的美化了模型，并且是模型更加合理。这种工作方法为最后的总装提供和很大的便利和好处，节省了很多时间，提高了工作效率，值得在其他工作中借鉴。由于建模过程主要是ADAMS软件的操作过程，如果对ADAMS比较熟悉这个过程就很简单。本文不再对建模过程做详细介绍。
3.2.3机器人模型的设置
机器人实体模型建好以后，应对其属性进行修改。我们设计用的机器人材料为铝材，初始位移为各个点的初始位置，初始速度设置为零。选定材料后，物体的密度就自动确定了，同时系统会自动计算构件的质量。然后对关节添加相应的约束和驱动力。如果我们要模拟某些特殊的工作过程，我们还应该在相应的位置处添加力和力矩。如我们模拟提升物体的操作过程，那么我们就在小臂（PART6）的端部PART6_MARKER_6处添加一个大小为10N方向向下的力。完成这个设置后机
器人的模型如下图3-3所示：