基于ADAMS的机器人吸尘器设计.docx

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基于基于ADAMS的机器人吸尘器设计的机器人吸尘器设计基于ADAMS的机器人吸尘器设计工学院07级机制07班指导教师李老师2010年4月4日基于ADAMS的机器人吸尘器的动态仿真设计一、设计意义与原理现在市面上有各种不同类型尺寸、不同原理构造的吸尘器，但是这些吸尘器一个普遍的缺点是都需要人工进行辅助操作，相对来讲比较费时费力。

经常看新闻听报导我们会发现，现在各种不同类别构造、不同原理功用的机器人也是层出不穷、屡见不鲜。

于是，很自然的，我们不妨把机器人与吸尘器相结合起来，利用机器人代替人的劳动，同时也实现吸尘器的功能。

（注：

本设计中的机器人并非真正意义上的智能机器人，而是模拟吸尘器外部工作原理的一个载体）此种机器人吸尘器的原理非常简单，即利用普通吸尘器的的吸尘原理，在机器人吸尘器主体部分内部驱动电机转动形成真空（此机构略去，本设计主要对吸尘器外部工作进行仿真），大气压作用下即可将粉尘吸入。

本装置特殊之处在于，机器人主体可以四个方向转向并移动，从而吸收各个方向的粉尘。

具体为，机器人主体每转动一个方向，即停止几秒时间，进行一次吸尘操作，操作完成后在转动，并可向前移动，如此循环操作下去即可完成多个方向的吸尘操作。

在制作成市面产品之前，我们不妨用Adams软件对其进行动态虚拟仿真，预先对各动态系统进行仿真和分析，按照实际的需求修改更进，有效地提高设计的效率和质量，用仿真模型代替物理模型进行试验，降低产品的设计开发成本。

二、建立模型构件装置由机器人主体（其内部包含吸收粉尘的空间）、吸尘通道、粉尘模型构件及移动轴等四部分构成，下面依次进行建模：

1、创建机器人主体结构

（1）启动ADAMS/View，选择新建模型，并将系统的长度单位设置为m。

（2）设置工作栅格。

单击菜单【Settings】【WorkingGird】后，在弹出的设置工作栅格对话框中，将Size设置为X（20），Y（20），Spacing设置为（0.2），（0.2）。

如右图所示：

（3）设置图标。

单击菜单【Setting】【Icon】，弹出图标设置对话框，在NewSize输入框中输入0.5。

（4）打开坐标窗口。

按下F4键，打开坐标窗口，当鼠标在图形区移动时，在坐标窗口中显示了当前鼠标所在位置的坐标值。

（5）绘制圆柱体。

单击工具栏中的绘制圆柱体按钮，并在工具栏下端的输入框中将Length和Radius勾选中，并分别设置为6和2，然后在图形区移动鼠标，并向上拖动，当鼠标的坐标值显示为X=0，Y=-7，Z=0并且位于竖直方向时，单击鼠标左键，就创建了圆柱体cylinder1。

单击工具栏中的按钮，设置Thickness为1m，选择cylinder1，根据下方命令提示，选择圆柱体的上端面，然后单击鼠标右键即可对cylinder1完成抽壳操作，将其命名为body。

如下图（6）设置坐标网格。

单击菜单【Settings】【WorkingGird】后，在弹出的设置工作栅格对话框中，点击最下方Setlocation下拉菜单，选择pick，然后将鼠标光标移动到视图中直到选择到圆柱体中心时单击鼠标左键，即可将网格移动到圆柱体中心面上。

如下图：

（7）绘制机器人主体头部。

单击绘制长方体按钮，并在工具栏下端的输入框中，将Geometrybox设置为NewPart，勾选中Length、width和depth并分别设置为2，2，2；然后在图形区移动鼠标，当鼠标的坐标值显示为X=-1，Y=-1，Z=0时，按下鼠标左键，然后向上拉动，单击鼠标左键即完成box1的创建，将其rename为head。

单击绘制圆环按钮，将Geometrytorus设置为NewPart，并在工具栏下端的输入框中将minorradius设置为0.2,majorradius设置为0.4，当鼠标的坐标值显示为X=0.982，Y=0.403，Z=0.6时，单击鼠标左键，即可完成头部一只眼睛的创建，用同样方法可完成另一只眼睛的创建。

单击按钮和，可完成对头部鼻子和嘴的创建。

单击倒圆按钮，将其radius设置为0.5，选择头部顶面两侧的两条边，单击鼠标左键完成倒圆操作。

至此，头部创作即完成。

（8）在圆柱体身上打洞。

单击打洞按钮，将洞的radius设置为0.5，depth的值设置为1。

然后单击主菜单上的侧面视图按钮，当鼠标的坐标值显示为X=-3.2，Y=-2.6，Z=0时，单击鼠标左键，即可在此处打穿一洞。

2.创建吸尘通道机构。

（1）创建横梁圆柱体。

单击绘制圆柱体按钮，将其Radius设置为0.5，length设置为2。

当鼠标的坐标值显示为X=1，Y=-2.6，Z=0时，单击鼠标左键，并水平向右拖动即可完成横梁圆柱体cylinder2的创建。

（2）创建斜置圆柱体。

单击绘制圆柱体按钮，将其Radius设置为0.5，。

当鼠标的坐标值显示为X=2.8，Y=-2.6，Z=0时，单击鼠标左键，并斜向下拖动，当圆柱体另一端刚好触及地板时单击鼠标左键，即可完成斜置圆柱体cylinder3的创建。

（3）创建接收粉尘铲子。

单击绘制长方体按钮，并在工具栏下端的输入框中将Length、Height和Depth勾选中，分别设置为1、1和4，当鼠标的坐标值显示为X=9.4，Y=-8，Z=0时，单击鼠标左键，就创建了长方体box2,将其rename为chanzi。

（4）连接各部分为一体并抽壳。

鼠标单击Boolean键，根据下方提示语分别点击cylinder2、cylinder3和chanzi，然后右键即可将两圆柱体及chanzi连接成一个整体，将此整体重命名为xichenguan。

单击工具栏中的抽壳按钮，设置Thickness为0.1m，选择物体xichenguan，根据下方命令提示，选择chanzi的地板一侧端面，单击鼠标右键，即可对物体xichenguan进行抽壳。

（5）加洞打通xichenguan整体。

右键单击cylinder1，选择Hide。

单击主菜单中旋转方向按钮，将xichenguan整体移动到合适位置，单击打洞按钮，将洞的radius设置为0.4，depth的值设置为0.1，按照操作命令提示选择xichenguan整体上端面方向朝外，单击鼠标左键，即可打通xichenguan整体。

（6）恢复隐藏部件。

单击菜单【Settings】【Edit】后，在弹出的设置工作栅格对话框中，单击右下角“+”键，显示如下图所示，选择需要恢复显示的构建body，再点击ok按钮又弹出如下对话框，在在visibility选项处选择on，点击apply即可恢复显示。

（7）将head、body与xichenguan合并。

鼠标单击Boolean键，根据下方提示语分别点击head、body和xichenguan，右键单击即可将其合并成一个整体。

将其重命名为bodyxichen3、创建粉尘模型和移动轴。

（1）创建移动轴。

单击绘制圆柱体按钮，并在工具栏下端的输入框中将Length和Radius勾选中，分别设置为1.8、和1.6，然后在图形区移动鼠标，当鼠标的坐标值显示为X=0，Y=-7，Z=0时，单击鼠标左键，并竖直向下拖动，就创建了圆柱体cylinder4，将其重命名为yidongzhou。

（2）创建粉尘模型。

单击绘制球体按钮，并在工具栏下端的输入框中将radius勾选中，并将其设置为0.2，然后在图形区移动鼠标，当鼠标的坐标值显示为X=11，Y=-7.6，Z=0时，单击鼠标左键，创建粉尘模型1。

用相同的参数当鼠标的坐标值显示为X=12.2，Y=-7.6，Z=0时再绘制粉尘模型2。

按照上述方法，当鼠标的坐标值显示为X=-11.8，Y=-7.6，Z=0时，单击鼠标左键，创建粉尘模型3。

单击菜单【Settings】【WorkingGird】后，在弹出的设置工作栅格对话框中，点击最下方SetOrientation下拉菜单，选择globalXY。

如下图：

再点击侧面按钮，在视图内移动鼠标，选择X和Y方向，即可将网格转动90。

在此方向内的网格中，按照同样的方法分别创建模型5、6、7、8。

粉尘模型即创建完毕。

（3）创建地板。

单击绘制长方体按钮，并在工具栏下端的输入框中将Length、Height和Depth勾选中，分别设置为50、2和50，然后在图形区移动鼠标，当其正好贴合移动轴下方时单击鼠标左键，将其重命名为blanket，完成地板创建。

三添加驱动1.固定地板。

鼠标单击工具栏中的键，根据屏幕下方的命令提示，先后点击ground与blanket，即可将地板固定在地面上。

2.添加机器人主体转动副及驱动。

单击绘制转动副按钮，并在工具栏下端将RevoluteJoint改为pickgeometryfeature，分别点击yidongzhou和xichenzhou另个物体，然后选择竖直向上的方向。

单击鼠标左键，即可加上转动副joint4。

然后点击转动驱动按钮，在joint4围着处点击鼠标左键即可创建上转动驱动。

为了实现机器人主体每转动90停止3s的运动，必须对转动驱动添加函数进行控制，经分析，可用step函数实现这一运动。

如下图所示编辑函数：

函数具体参数如下：

STEP（time,3,0,4,1.58）+STEP（time,7,0,8,1.577）+STEP（time,11,0,12,1.574）+STEP（time,15,0,16,1.568）+STEP（time,21,0,22,1.56）+STEP（time,24,0,25,1.56）+STEP（time,28,0,29,1.56）+STEP（time,32,0,33,1.56），其中前面四个step函数即可实现对上述过程的控制，后面四个函数为这一过程的重复。

3.添加移动轴移动副。

物体yidongzhou与ground时相对移动关系，故单击工具栏移动副按钮，然后再视图中分别单击yidongzhou与ground即可完成移动副的添加。

4.添加头部与机器人主体的转动副。

为了固定住head，将head与body之间添加转动副，鼠标单击绘制转动副按钮，并在工具栏下端将RevoluteJoint改为pickgeometryfeature，分别点击yidongzhou和xichenzhou另个物体，然后选择竖直向上的方向。

单击鼠标左键，即可加上转动副。

5.添加粉尘模型的驱动力。

点击单向力按钮，如图所示，然后在视图中点击粉尘模型cylinder1，选择方向为朝向机器人主体的水平方向，添加力完成，同理，对其它七个模型也按照同样方法添加单向力。

但是为了实现当机器人主体的吸尘周转动到相应位置时粉尘模型才开始运动，故给粉尘模型的力同样需要函数对其进行控制（其中模型1、2最先开始运动，可无需函数控制），step函数亦可实现这一功能。

编辑函数如同对motion1编辑函数一致。

结合转动驱动的函数，此函数编辑如下：

Force3：

STEP（time,8,0,11,4000）；force4：

STEP（time,8,0,11,4900）；force5：

STEP（time,4,0,7,4650）；force6：

STEP（time,4,0,7,4700）；force7:

STEP（time,12,0,15,4200）;force8：

STEP（time,12,0,15,4200）。

6.添加粉尘模型与ground、xichenzhoucylinder1、xichenzhouGS13之间的接触力。

由于模型球的运动需要与接触的面得接触力，故点击接触力按钮，出现如上对话框，点击pick然后到视图中选择模型1分别与ground、xichenzhoucylinder1、xichenzhouGS13（应三次重复这样的操作即可完成）。

同理，对模型2、3、4、5、6、7、8也可用同样的方法将接触力加到对象上。

7、运行仿真。

单击仿真按钮，将仿真时间设置为20s，仿真步数设置为300，单击按钮开始仿真计算。

三、运动仿真计算1、机器人主体绕Y方向的运动角速度和角加速度分析。

角速度角加速度由机器人主体角速度和角加速度的图像可以看出：

机器人主体的转动为间歇运动，且是有规律的函数运动的循环，这与设定的函数控制的要求是相符的。

其中，角速度按间歇的近似半周期正弦函数规律变化，到第三秒时，机器人主体开始转动，第四秒末，机器人主体停止转动，而三秒后机器人主体又开始运动，此后如此循环，直至机器人主体运动回原来初始的位置。

角加速度则呈现一种有规律的突变变化，其按时间的变化与角速度随时间的变化是一致的。

而这种角速度和角加速度按如图所示的时间的变化正好是吸入粉尘模型所对应需要的运动规律。

2.粉尘模型1沿Z方向的位移、速度、加速度分析。

（由于模型1与模型二运动规律相似，故此处取模型1为例进行说明）位移速度加速度由以上模型1的位移、速度、加速度图像分析可知：

刚开始时，模型1有少量位移但是运动非常缓慢，速度值很小，加速度几乎为零；2.5秒左右时，模型1速度迅速增大，加速度也有一个突变，位移经短暂变化过程后呈现近似正弦函数规律变化，速度和加速度经过1-2s时间的调整后也分别呈现出正弦函数规律的变化。

这是由于在模型1在地面和接收铲子上运动时速度较慢且没有规律，等其运动上吸尘斜管道时则呈现出有规律的变化。

3.粉尘模型5沿Y方向的位移、速度、加速度分析。

（由于模型5与模型3、4、6、7、8运动规律相似，故此处取模型5为例进行说明）位移速度加速度由模型5的位移、速度、加速度图像分析可知：

直到第4s时刻，模型5才开始有速度和加速度，模型5开始运动，其运动不是按照标准的函数变化，如上图所示。

这是因为，加在模型5上的力直到第4s时才开始作用，一直运动，直到进入到机器人主体内部。

5、牛头刨床机构对发球的均匀性的影响，但转速过低时，一次打出去的球数多余一个；当转速过大时，会产生散飞现象，如图所示，第三幅图是理想的效果设计。

四、结束语（我真实的感受）记得在大二时，我曾经问及学长我们专业有哪些可以对实物进行仿真模拟的软件值得去学习一下。

当时，他们有说pro/e,或者是UG,却未曾提及adams软件。

然而，经过一个多月的时间对adams软件的学习以及为时两周的自行设计模型的练习，在我现在看来，adams的功能之强大也是不可小觑。

正如李老师所说，我们所上课的作用只是对我们学习此软件做一个引导，让我们大致能够了解到软件的作用、适用范围以及一些基本的操作方法。

要真正能够掌握并能够熟练运用软件还得需要自学，同时应当主动向其他同学请教，在掌握基本操作的基础上，不断探索出新的方法和思路，并加以大量的实践操作进行巩固。

确实如此。

上课的时候，感觉老师讲解的每一个基本操作、每一个实例自己都听得很清楚，可是到了上机练习和做作业的时候却犯难了，发现自己很多细节的操作方法都还没掌握后者是掌握的不牢固，以至于有时候想半天也画不出东西来。

比方说这一次课程结业作业，我就遇到了不少难题：

其一，做作业得解决画什么的问题。

带着这个问题，我连上课时都寻思该画什么，并和同学们一起讨论。

可能是由于缺乏实践经验或者是平时所接触到得比较有新意的模型比较少的缘故吧，发现我和同学们的思维都有一定的局限性，想出来的东西往往比较老套，缺乏创意，还有的就是一时根本想不出来。

因此我得出的结论是，我们作为学机械的学生，平时应当多留意身边的、报刊杂志上的、电视广播中的一些比较常见或是与本专业相关的一些模型，结合自己所学的知识加以分析，然后还不妨加上自己比较有创意的想法对其进行改进。

这样，到真正设计模型时，就不会那么吃力了。

其二，是软件操作运用过程中的问题。

软件的操作步骤细化程度是衡量软件功能的一项重要指标，在用软件进行设计操作的过程中，会设计到许多相关联的比较细节的操作，这些操作就需要我们结合书本和请教同学老师，并自己不断地探索和加以多次的练习才能真正熟练掌握并加以运用。

比如说，我在设计粉尘模型时需要将两对粉尘模型置于相互垂直的两个位置，开始不会，后来在请教一个同学之后，才知道只需要对网格进行一个90的旋转即可，最后我预期的效果的以实现，并且现在遇到类似的问题也能够知道怎么处理了。

其三，是学习软件目的的问题。

开始时我设计的模型并不是机器人吸尘器，而是一个割草机。

其结构比较简单，就是一个无急回运动特性的曲柄摇杆机构放置在一辆车的车身上，也未曾用到函数。

后来，看到adams软件自身带了很多的函数，如果不会用函数对模型进行控制，关于adams的知识就只相当于掌握了其九牛一毛，因为adams的强大之处之一就在于能够用多样化的函数对模型进行控制。

于是，我决定放弃当前已经设计好的模型，改做机器人吸尘器。

我从书上和网上了解到了adams中一些基本函数的用法，便开始了设计。

首先，是要实现机器人主体转动四个90，并且每转动一个90都会有停顿，然后是要保证粉尘模型在机器人主体停顿的时候能够被吸入。

这在操作之前，感觉是很困难的。

可是现在却感觉比较简单，做出来后的愉悦也是而知。

因而，我们学习adams或者是其他软件的最终目的是为了我们以后的学习或是工作的设计过程中能够熟练地运用和操作，现在多做出一份努力，以后也就少一份忧虑。

最后，很庆幸自己选了adams这门课，很庆幸能够在李老师的指导下顺利地入了门，也很庆幸自己能够比较完满的把这次作业做好。

当然，仅仅靠这一次作业的练习还远远掌握不了adams软件的全部要领，因此我相信，我一定会利用好以后能够用上该软件的各种机会，勤加练习，把该软件的功能用到极致。

五、参考文献1.李增刚.ADAMS入门详解与实例.北京：

国防工业出版社，20092.杨家军主编.机械创新设计技术.北京：

科学出版社，20083.孙恒主编.机械原理.北京：

高等教育出版社，2006