基于SolidWorks和ADMAS的六自由度機械臂聯合仿真研究*

夏 偉,張 妍

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

在工業4.0背景下，智能制造技術發展迅速，機械臂作為智能工廠的典型裝備廣泛應用于裝配、焊接、噴涂和搬運等復雜生產過程中，貫穿工業自動化智能化生產的全過程[1]。通過機械臂仿真可實現生產過程的“虛-實”轉換，為機器人軌跡規劃和智能控制提供有效驗證。

匡毅[2]等搭建機械臂仿真模型，驗證了自適應模糊PID控制效果較傳統PID算法的優越性。文獻[3-5]基于Sim Mechanics工具箱仿真機器人工作過程，其中文獻[3]建立庫卡機械臂模塊化模型仿真末端實時軌跡，實驗證明建模合理實用；文獻[4]通過仿真有效地獲取到機械手的運動參數，根據參數控制機械手執行預期軌跡；文獻[5]建立六自由度并聯平臺物理模型，仿真運動軌跡，減免數學模型建立和程序編寫的復雜過程。由此可見仿真分析簡便直觀，可為機構的設計、優化與運動控制等提供參考。

劉澤宇等[6]建立機械臂的SolidWorks和ADAMS聯合仿真模型進行動力學分析，得到了各關節轉速與力矩的關系，為電機的選型提供了依據。陳繼朋等[7]應用ADMAS進行機械臂動力特性分析，根據醫用機械臂末端質心偏差為后期醫用機械臂運動控制和位置補償提供依據。姜迪開等[8]基于機械臂的SimulinkADAMS聯合仿真模型，實現機械臂控制系統與機械構型的協同優化，提高了機器人的重復定位精度。仿真分析是實現理論研究的成果化驗證，對實現精確軌跡跟蹤控制、誤差補償和系統優化有著重要意義。

本文基于SolidWorks和ADMAS軟件建立多功能機械臂的結構模型和仿真模型，在ADMAS中設計拾放軌跡，實現了機械臂在虛擬空間中的任務規劃。并搭建實驗平臺，基于MOTOMAN機械臂設計拾放實驗，實驗表明實體機械臂在真實場景中能夠準確地復現仿真軌跡，可為后續機械臂軌跡規劃及智能控制提供依據。

1 六自由度機械臂模型建立

多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕組成，共有六個自由度，均為旋轉關節，即1軸為基座回轉運動、2軸為上臂傾動、3軸為下臂傾動、4軸為手臂橫擺、5軸為手腕俯仰、6軸為手腕回轉。多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00結構示意圖如圖1所示，對應的相關參數見表1。

圖1 多功能機械臂結構示意圖

表1 多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關參數

在實體建模上，SolidWorks軟件采用參數化和特征造型技術進行建模，產品的設計可以通過其基本功能方便快捷地創建和修改。本文利用SolidWorks三維軟件來建立六自由度機械臂模型，并且進行了裝配。六自度機械臂模型如圖2所示。采用SolidWorks軟件建立的模型完成后，將其導入ADMAS軟件中，為后續虛擬樣機仿真建立良好的基礎。

2 基于ADMAS的虛擬樣機模型建立

ADMAS/VIEW集建模與仿真功能于一體，能夠對機械系統進行建模、仿真以及優化分析等，其本身帶有大量建模軟件的接口模塊，可以將建好的三維模型通過ADAMS/VIEW的接口模塊導入，然后對所建模型進行屬性設置、約束添加并進行仿真。

2.1 虛擬樣機模型的建立

對于導入的六自由度機械臂SolidWorks模型，重力設置為沿y軸的負方向，即豎直向下；質量單位設置為千克(kg)、力的單位設置為牛頓(N)、長度單位設置為毫米(mm)、時間單位設置為秒(s)、角度單位設置為度(deg)。六自由度機械臂虛擬樣機模型如圖3所示。

圖2 六自度機械臂模型 圖3 六自由度機械臂虛擬樣機模型

2.2 機器人拾取軌跡仿真

對導入的虛擬樣機模型添加約束和驅動后，在ADMAS中可通過設置不同驅動參數實現不同軌跡。根據機械臂關節參數，通過調用STEP函數可以實現不同電機的工作狀態，進而完成預設軌跡。本文通過虛擬樣機模擬機器人拾取-放置-回零過程的軌跡狀況。STEP函數的調用格式如下：

STEP (C,C0,Y0,C1,Y1)

其中：C為時間，是自變量；C0為時間的初始值；C1為時間的終止值；Y0為角位移初始值，是因變量；Y1為角位移終止值。

完成拾放軌跡需要對關節1、關節2及關節3電機添加驅動函數。對3個關節的不同時刻添加驅動函數以實現拾放軌跡，分步運動通過函數中的始末時間進行控制。完成拾放軌跡的電機運行步驟為：關節2—關節2和關節3聯動—關節1—關節2、關節3和關節1聯動。

在MOTION2下創建驅動對話框，設置驅動函數如下：

STEP(time,0,0,10,-40d)+STEP(time,10,0,15,0d)+STEP(time,15,0,25,-40d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,40d)

可以通過Plot平移驅動對話框展示驅動曲線。同樣，對MOTION1用STEP函數進行設置，可使其在預設時間運動相應速度、時間、位移。STEP函數如下：

STEP(time,25,0,30,0d)+STEP(time,30,0,40,50d)+STEP(time,40,0,45,0)+STEP(time,45,0,55,-50d)

對MOTION3用STEP函數進行設置，可使其在預設時間運動相應速度、時間、位移。STEP函數如下：

STEP(time,15,0,25,-30d)+STEP(time,25,0,30,0)+STEP(time,30,0,45,0d)+STEP(time,45,0,55,30d)

完成電機驅動設置后，點擊simulation進行軌跡仿真。設置結束時間為60 s，步驟為1 000，點擊運行，可實現拾取軌跡。機械臂末端執行器在0～60 s內的合位移曲線如圖4所示,X、Y、Z三方向位移曲線如圖5所示。

圖4 機械臂末端執行器0～60 s內的位移曲線

圖5 機械臂末端執行器X、Y、Z三方向位移曲線

由圖4、圖5可以看出：在0～15 s機械臂末端做Z方向平移運動接近目標物，15 s～25 s機械臂實施抓取物體，25 s～40 s機械臂將物體放置在目標位置，在40 s時末端位移達到最大，40 s～60 s機械臂返回零點；整個拾取-放置-回零過程中機械臂軌跡光滑波動幅度小，拾放過程平穩無沖擊。

3 實驗研究

3.1 搭建實驗平臺

搭建的實驗平臺如圖6所示。以多功能機器人MOTOMAN-HP0020D-A00為機器人本體，配備有伺服驅動單元、各類傳感器、計算機控制系統和A/D系統接口等。

圖6 搭建的實驗平臺

3.2 軌跡測試實驗

對多功能機器人MOTOMAN-HP0020D-A00完成一次拾放物體的實驗。通過圖7控制程序界面編寫程序可以完成拾放軌跡實驗。

圖7 機器人控制程序界面

采用多項式插值算法使機器人完成從起始點A抓取工件M放置到終止點B再返回零點的過程。機器人機械臂運行過程關鍵位置如圖8所示。

圖8 機器人機械臂運行過程

4 結語

針對MOTOMAN-HP0020D-A00六自由度機器人，在ADMAS中建立虛擬樣機模型，通過電機驅動函數STEP設置物體拾放軌跡，實現了機械臂在虛擬空間中的任務規劃。仿真結果表明軌跡連續平滑，無沖擊。最后，在真實工作場景中搭建實驗平臺，基于MOTOMAN機械臂設計拾取實驗，實驗表明實體機器人在真實場景中能夠準確地復現仿真的拾放軌跡，拾取過程平穩有效。本研究實現了“虛-實”空間的轉換，為后續機器人軌跡規劃、機器人控制等研究提供了參考。