5 仿真分析

5.1 仿真流程图

    基于ADAMS的建模功能并不强大，只能建一些简单的模型。所以本文先采用专业的CAD软件Pro／E 建立机械手的机构模型， 然后通过Mechanism／Pro口模块导入ADAMS中进行运动学仿真。整个仿真流程如图1所示：

图1 仿真计算流程

5.2 模型建立
5.2.1利用Pro/E建立机构模型

    图2即为在CAD软件Pro／E中所建立的机械手机构模型。假设各杆件质量分布匀，且为刚体，图中可以清楚地看到该机械手由机座、腰部、大臂、小臂、手腕以及夹持器几部分构成，其中腰部与机座之间、大臂与腰部之间、小臂与大臂之间分别通过旋转关节连接。此三个关节的作用是使与其连接的杆件构成相对转动，即机械手的三个自由度，它们决定了机械手末端在空间中的位置，机械手的腕部有两个旋转关节连接，包含滚转和俯仰共两个自由度，他们决定了机械手在空间中的姿态。机械手的技术参数如表1所示。

表1 机械手的技术参数

关节数	关节类型	关节变量范围
1	R（腰部回转）	－130°～130°
2	R（大臂俯仰）	－45°～135°
3	R（小臂俯仰）	－180°～0°
4	R（腕部回转）	－180°～180°
5	R（腕部俯仰）	－225°～45°

    该机械手可看作一个开式运动链，由连杆通过转动关节串联而成。开链的一端固定在地面基座上，另一端是自由的，安装着工具(或称为末端执行器)，用来完成各种作业。整个机械手的运动是由分别安装在每个旋转关节上的步进电机驱动，经谐波减速器减速后带动连杆转动，只要给定各个关节的角度值，机械手就可以以一定姿态运动到指定位置。如果给定机械手初态和末态位置坐标，也可以测出机械手各关节角度值及其随时间的变化规律曲线。在创建3D模型之前，最好定义各种材料的零件的模板。在建模过程中，严格按照零件材料选用模板，可以减少输入密度的工作。对于各种电机，传感器等多种材料的不见，需要计算出密度并输入相应的模型中。下面给出机械手的装配图。如图3所示：

图3 机械手装配图

    在装配过程中，对有运动关系的零件之间，在Pro/Engineer中使用关节装配方式，可以省去部分在ADAMS中工作。

    在添加约束的过程中，需要详细的定义各种运动副，本文中主要是转动副和旋转副。

5.2.2 ADAMS仿真模型等效转换

    我们利用Pro／E 与ADAMS 软件的接口Mechanism／Pro，将机构模型转入ADAMS中。由于Pro/E和ADAMS来自两个不同的公司，两者间属“有缝连接”，两者间不同的图形格式在转换时一些图形元素可能会丢失，此时需要返回并做相应的修改，进一步完善模型，确保无误后添加约束及驱动。对于本论文中的机械手主要包括固定副，关节的旋转副及驱动，各部件的约束关系尽可能与实际系统相一致，最终形成系统的虚拟样机。此时的样机包含两部分，一部分为大地(固定件)模型，另一部分为运动件模，各关节的连接关系可以在ADAMS的信息窗口中看到。接下来就可以进行仿真分析了。

5.3 ADAMS仿真
5.3.1仿真设置

    本次仿真主要观察在给定机械手五个关节角的值后，让机械手的末端达到一定位姿，要求机械手的前三个关节先动，之后腕部关节再旋转调整姿态。首先ADAMS定义的运动可以是与时间有关的位移、速度和加速度，默认状态下运动的速度定义为常数。我们可以通过三种方法自定义运动值：

(1)输入移动或旋转的速度。在默认情况下，输入的转速单位为度／单位时间，输入的移动单位为长度/单位时间。

(2)使用函数表达式。

(3)输入自编函数子程序的传递参数。还可以编一个子程序定义非常复杂的运动，此时，在参数栏输入的是传递给子程序的参数，本次仿真使用的是第二种方法，输入函数。ADAMS提供了很多函数，这里使用五个STEP函数来定义五个旋转副的运动。具体如下：

Motion1_jizuo_yao:step(time，0，0，1，90d)

Motion2_dabi_yao:step(time，0，0，1，45d)

Motion3_xiaobi_dabi:step(time，0，0，1，-90d)

Motion4_wanl_xiaobi:(time，1，0，2，-90d)

Motion5_wan2_wan1:(time，2，0，3，-135d)

设定仿真时间为3 S，仿真步数为200。