基于虛擬樣機(jī)技術(shù)在《工業(yè)機(jī)器人 》課程教學(xué)實(shí)踐

【摘 要】將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于《工業(yè)機(jī)器人》的教學(xué)中，既可以直觀顯示工業(yè)機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)，又可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到工業(yè)機(jī)器人桿件的位移、速度和加速度曲線，進(jìn)行位置與姿態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題并且提出改進(jìn)方案。

【關(guān)鍵詞】虛擬樣機(jī)技術(shù) " "《工業(yè)機(jī)器人》 " " 教學(xué)實(shí)踐

在機(jī)械工程學(xué)科課程教學(xué)實(shí)踐中應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)將會(huì)有力地促進(jìn)工科類(lèi)教學(xué)體系和教學(xué)方式的改革，能增強(qiáng)大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動(dòng)性，使學(xué)生跟隨工業(yè)技術(shù)發(fā)展的步伐，牢記知識(shí)要點(diǎn)，掌握學(xué)科體系。

《工業(yè)機(jī)器人》課程是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制等多學(xué)科的一門(mén)綜合性應(yīng)用課程，是機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生主修的一門(mén)課程。本文將針對(duì)《工業(yè)機(jī)器人》課程的特點(diǎn)，詳細(xì)分析各教學(xué)環(huán)節(jié)的具體目標(biāo)，以及如何采用虛擬樣機(jī)技術(shù)在教學(xué)中達(dá)到提高教學(xué)效果的目的。

一、三維模型的構(gòu)建及動(dòng)態(tài)特性仿真

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門(mén)應(yīng)用型的工程技術(shù)，借助于這項(xiàng)技術(shù)，工程師們可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的模型，進(jìn)行三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果分析和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與過(guò)程。

在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的授課環(huán)節(jié)中，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)可促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

1.機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照工業(yè)機(jī)器人各零部件的實(shí)際尺寸及結(jié)構(gòu)，利用UG等三維設(shè)計(jì)軟件建立三維模型。通過(guò)建立的模型，從各個(gè)角度向?qū)W生展示每一個(gè)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使學(xué)生清楚地掌握工業(yè)機(jī)器人的組成和工作原理。通過(guò)建立工業(yè)機(jī)器人零件的三維模型（見(jiàn)圖1和圖2），可以將零件完整地展示在學(xué)生面前，無(wú)論學(xué)生之前是否接觸過(guò)這些零件，都可以清楚地了解零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及各零部件之間的關(guān)聯(lián)。對(duì)于本例，將底座、機(jī)身、手臂和手部裝配在一起組成圓柱坐標(biāo)式工業(yè)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和三個(gè)移動(dòng)共五個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)牛奶箱碼垛任務(wù)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

2.運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

《工業(yè)機(jī)器人》是一門(mén)以機(jī)器、機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象的專(zhuān)業(yè)課，其中，對(duì)機(jī)械或機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析是這門(mén)課程的主要內(nèi)容之一。目前對(duì)機(jī)械、機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力分析的主要方法為解析法，解析法的特點(diǎn)是可以獲得精確的計(jì)算結(jié)果，但由于機(jī)械的多樣性和組成機(jī)械的機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)的復(fù)雜性，若想進(jìn)一步對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)的方案進(jìn)行對(duì)比分

圖1 碼垛機(jī)器人

圖2 手臂結(jié)構(gòu)

析或變參數(shù)分析，數(shù)學(xué)模型的建立和計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，這在很大程度上影響到這門(mén)課程的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

ADAMS為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件，它可以對(duì)設(shè)計(jì)的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。將UG的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ADAMS后，根據(jù)實(shí)際工作特點(diǎn)，添加約束及驅(qū)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析。通過(guò)分析，可以得到各桿件的運(yùn)動(dòng)曲線，從而可以了解到工業(yè)機(jī)器人工作原理，了解它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

以手臂運(yùn)動(dòng)為例（見(jiàn)圖3），手臂梁結(jié)構(gòu)與機(jī)身相似，主要由手臂氣缸、矩形導(dǎo)軌和手臂部工作臺(tái)組成。工作臺(tái)與手部和手臂氣缸筒相連，手臂氣缸工作時(shí)，氣缸筒運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)手部在手臂梁上運(yùn)動(dòng)。

對(duì)于氣缸在整體中的運(yùn)動(dòng)為五個(gè)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)在Y軸方向的合成運(yùn)動(dòng)曲線，由于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂氣缸的位置發(fā)生變化。通過(guò)手臂氣缸位移、速度和角速度曲線的變化，分析手臂在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的變化。

圖3 手臂氣缸在整體運(yùn)動(dòng)分析圖

3.位置和姿態(tài)控制

在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)求解中，除了要知道各桿件的位移、速度和角速度外，還要求解出各桿件在運(yùn)動(dòng)空間中的位置與姿態(tài)的關(guān)系。

基于機(jī)器人D-H模型建立工業(yè)機(jī)器人各桿件的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，求解在任意時(shí)刻桿件的位置與姿態(tài)。

機(jī)器人的每一個(gè)連桿都可以建立一個(gè)對(duì)應(yīng)的齊次變換矩陣Ai，矩陣Ai以此表示了連桿的四個(gè)運(yùn)動(dòng)。

從機(jī)器人的基座開(kāi)始按照上述步驟依次進(jìn)行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)化，便可得出從任意桿件坐標(biāo)系到機(jī)器人基座的總變換，即可得到連桿的瞬時(shí)位置與姿態(tài)。

以手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)分析，在MATLAB中建立手腕的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，設(shè)置輸出輸入?yún)?shù)與ADAMS中的三維模型聯(lián)合仿真進(jìn)行求解。

圖4 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)分析圖

由運(yùn)動(dòng)分析圖4可得：手腕在第9s開(kāi)始以拋物線的角速度順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)45。。手腕在第31s—41s之間逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，其中前5s以3.6。/s2進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)，后5s以3.6。/s2減速運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到90°時(shí)角速度等于零，擺動(dòng)缸轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)沖擊。當(dāng)時(shí)間為57s時(shí)，手腕開(kāi)始順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，所用時(shí)間為10s。從手腕的仿真運(yùn)動(dòng)看滿足姿態(tài)設(shè)計(jì)要求。

二、結(jié)論

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人課程教學(xué)，學(xué)生既能直觀地觀察工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的情形，又可以顯示工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線。另外通過(guò)改變參數(shù)進(jìn)行的仿真分析，可進(jìn)一步展現(xiàn)主要參數(shù)對(duì)工業(yè)機(jī)器人性能的影響。通過(guò)這樣的課程教學(xué)，能夠使學(xué)生對(duì)工業(yè)機(jī)器人有一個(gè)全面、深入、透徹的了解，對(duì)今后的專(zhuān)業(yè)課程學(xué)習(xí)非常有益。

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