工业机器人运动控制含源文件图文精.docx

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工业机器人运动控制含源文件图文精

ADAMS环境下工业robot运动控制和联合仿真

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robot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;MATLAB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robot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。

VisualC++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VisualC++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、MATLAB和VisualC++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robot的运动学和轨迹优化方案进行研究,利用VisualC++6.0、OpenGL和从MATLAB里导出的控制模型的数据对三自由度robot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robot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robot手部的初始坐标。

其次采用ADAMS软件,详细介绍了robot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robot关节点进行了参数化设计。

最后从robot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robot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WindowsXPProfessional的系统环境下,以VisuallC++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MATLAB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

Abstract

Virtualprototypingtechnologyintheconstructionofthefirstphysicalprototype,designersusecomputertechnologytobuilddigitalmodelsofmechanicalsystems,simulationanalysisandgraphicallydisplaythevariouscharacteristicsofthesysteminrealengineeringconditionstomodifyandgetthemostexcellentdesigntechnology.

ADAMSsoftwareiscurrentlythemostwidelyusedinternationalvirtualprototypeanalysissoftware,userscanusethesoftwareisveryeasytostatics,kinematicsanddynamicsofthevirtualmechanicalsystems.However,thecomplexityoftherobotmechanicalsystems,inordertoaccuratelycontrolitsmovements,andonlyrelyonADAMSsoftwareisalsoverydifficulttoachieve;ofMATLABsoftMathworkscompanyhasdevelopedasetofcomputing,graphicalvisualizationandeditingfunctionsinoneofthebestmathematicalapplications,computingpower,abletobuildcomplexcontrolmodeltoaccuratelycontrolthemovementofcomplexrobotsystems;OpenGL（OpenGraphicsLibraryName,SGI,thedevelopmentoftheunderlying3DgraphicsAPI,currentlyinthefieldofgraphicaldevelopmenthasbecometheindustrialcriteria.UseOpenGLtocreateexquisiteandbeautiful3Dgraphics,visualqualityclosetotheray-tracingprogram.VisualC++6.0hasbecomeasetofeditor,compiler.Run,debug,asoneofthefeaturesapowerfulintegratedprogrammingenvironment,playsanimportantroleinWindowsprogramming.OpenGLandVisualC++6.0interface,usingthetwocandevelopexcellentendoscopicsimulationsystem.ADAMS,MATLABandVisualC++6.0duetodifferentpositioninghasitsownadvantagesanddisadvantages,butamongthejointinterfacecontrol,ormixedprogramming.Inthispaper,usingtheADAMSprogramofthreedegreesoffreedomoftherobotkinematicsandtrajectoryoptimizationusingtheVisualC++6.0,OpenGLanddataexportcontrolfromtheMATLABmodelthethreedegreesoffreedomrobotvisualsimulation.

Firstly,throughtheestablishmentofthecoordinatesystemandmatrixtransformspaceoftherigidbodyaredescribed,andthenusetheDHrule,therobotjointangleparameters,deducedarekinematicequationsandinversekinematics,jointangles,andcalculatetherobottheinitialcoordinatesofthehand.ADAMSsoftware,followedbythedetailedthree-dimensionalmodelingofrobotprocess,includingtheoverallframeworktobuildasinglecomponentmappingandBooleanoperations,andtherobotjointpointofparametricdesign.Finally,therobottrajectoryplanningprinciplesandmethods,comparativeanalysisofthedifferenceofthetrajectoryplanningofthejointspaceandCartesiancoordinatespacetrajectoryplanning,andthirdorderpolynomialandquinticpolynomialonrobottrajectoryplanning,theuseoftheADAMSsoftwareembeddedinStepfunctionofthetrajectoryofthesimulationanalysis.Then,inWindowsXPProfessionalsystemenvironment,intoVisuallC++6.0developmenttools,theestablishmentofathreedegreeoffreedomroboticvisualsimulationsystemmodel,readandusethesimulationsystemmodeltoexportdatatoMATLABcontrol.

Keywords:

kinematics,trajectoryplanningADAMSvirtualprototypingtechnology,visualsimulation,texturemapping

目录

第一章绪论............................................................11.1工业robot的发展现状............................................11.2虚拟样机技术简介...............................................21.2.1虚拟样机的定义和特点......................................21.2.2研究现状和发展趋势........................................21.4本文要研究的主要内容...........................................4第二章robot运动学....................................................52.1空间点和坐标系的表示...........................................52.1.1空间点的向量表示..........................................52.1.2坐标系在固定参考坐标系中的表示............................62.2坐标系的变换..................................................62.2.1齐次变换..................................................62.2.2坐标系相对于旋转坐标系的变换.............................10

2.2.3变换矩阵的逆.............................................102.3robot的正逆运动学.............................................112.3.1正运动学的D-H表示法.....................................122.3.2逆运动学方程的求解.......................................152.4微分运动......................................................16第三章基于ADAMS的robot的虚拟样机分析...............................183.1ADAMS概述.....................................................183.2ADAMS中robot模型的建立.......................................183.2.1设置建模环境.............................................193.2.2robot实体建模............................................193.2.3robot模型的设置.........................................203.3轨迹规划仿真分析..............................................213.3.1轨迹规划方法的理论分析..................................213.3.2轨迹规划仿真分析........................................27第四章基于模型的视景仿真系统的设计与实现.............................324.1OpenGL概述....................................................334.1.1OpenGL工作方式.........................................334.1.2OpenGL绘制过程.........................................344.2robot三维可视化框架建立......................................354.2.1利用MFC建立单文档应用程序框架..........................354.2.2设置OpenGL绘图环境.....................................374.3机械手三维模型的建立.........................................404.3.1导入机械手模型..........................................404.3.2在OpenGL中建立机械手的模型.............................41

4.4建立仿真场景.................................................44

5.4.1纹理贴图的实现..........................................454.4.2设置光照................................................484.5基于模型的视景仿真的实现.....................................514.5.1数据的读取..............................................52

4.5.2利用读取的数据控制机械手的运动..........................554.5.3实现观察视角的交互式键盘控制............................60结论..................................................................63致谢..................................................................65附录..................................................................66参考文献..............................................................73实习报告..............................................................74

第一章绪论

1.1工业robot的发展现状

1961年,美国的ConsolidedControlCorp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业robot,迄今为止,世界上对工业robot的研究已经经历了四十余年的历程,日本、美国、法国、德国的robot产业已日趋成熟和完善。

工业robot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。

【1】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robot,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robot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robot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,robot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robot的数量为1140台。

【2】

在国外,工业robot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robot公司,它们包括:

瑞典的ABBRobotics,日本的FANUC、Yaskawa,德国的KUKARoboter,美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、意大利COMAU,英国的AutoTechRobotics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robot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robot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robot数量超过9000台,进口额达到2.6亿美元。

国内各个工业robot厂家都呈现出产销两旺的局面。

截至2004年底,我国工业robot市场已经突破30亿元人民币。

【3】现阶段,我国工业robot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。

【4】

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