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

【關(guān)鍵詞】虛擬樣機技術(shù) " "《工業(yè)機器人》 " " 教學(xué)實踐

在機械工程學(xué)科課程教學(xué)實踐中應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)將會有力地促進(jìn)工科類教學(xué)體系和教學(xué)方式的改革，能增強大學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，使學(xué)生跟隨工業(yè)技術(shù)發(fā)展的步伐，牢記知識要點，掌握學(xué)科體系。

《工業(yè)機器人》課程是機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)、動力學(xué)和控制等多學(xué)科的一門綜合性應(yīng)用課程，是機械類專業(yè)學(xué)生主修的一門課程。本文將針對《工業(yè)機器人》課程的特點，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)建及動態(tài)特性仿真

虛擬樣機技術(shù)是一門應(yīng)用型的工程技術(shù)，借助于這項技術(shù)，工程師們可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型，進(jìn)行三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果分析和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計與過程。

在機構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)和動力學(xué)教學(xué)內(nèi)容的授課環(huán)節(jié)中，借助虛擬樣機技術(shù)可促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

1.機構(gòu)設(shè)計

按照工業(yè)機器人各零部件的實際尺寸及結(jié)構(gòu)，利用UG等三維設(shè)計軟件建立三維模型。通過建立的模型，從各個角度向?qū)W生展示每一個零件的結(jié)構(gòu)特點，使學(xué)生清楚地掌握工業(yè)機器人的組成和工作原理。通過建立工業(yè)機器人零件的三維模型（見圖1和圖2），可以將零件完整地展示在學(xué)生面前，無論學(xué)生之前是否接觸過這些零件，都可以清楚地了解零件的結(jié)構(gòu)特點，以及各零部件之間的關(guān)聯(lián)。對于本例，將底座、機身、手臂和手部裝配在一起組成圓柱坐標(biāo)式工業(yè)機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)兩個轉(zhuǎn)動和三個移動共五個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)牛奶箱碼垛任務(wù)，滿足了設(shè)計要求。

2.運動學(xué)分析

《工業(yè)機器人》是一門以機器、機構(gòu)為研究對象的專業(yè)課，其中，對機械或機構(gòu)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)分析是這門課程的主要內(nèi)容之一。目前對機械、機構(gòu)進(jìn)行運動、動力分析的主要方法為解析法，解析法的特點是可以獲得精確的計算結(jié)果，但由于機械的多樣性和組成機械的機構(gòu)尺寸參數(shù)的復(fù)雜性，若想進(jìn)一步對機械機構(gòu)的方案進(jìn)行對比分

圖1 碼垛機器人

圖2 手臂結(jié)構(gòu)

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

ADAMS為機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件，它可以對設(shè)計的虛擬樣機系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。將UG的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到ADAMS后，根據(jù)實際工作特點，添加約束及驅(qū)動進(jìn)行運動學(xué)及動力學(xué)仿真分析。通過分析，可以得到各桿件的運動曲線，從而可以了解到工業(yè)機器人工作原理，了解它們的運動規(guī)律。

以手臂運動為例（見圖3），手臂梁結(jié)構(gòu)與機身相似，主要由手臂氣缸、矩形導(dǎo)軌和手臂部工作臺組成。工作臺與手部和手臂氣缸筒相連，手臂氣缸工作時，氣缸筒運動，從而帶動手部在手臂梁上運動。

對于氣缸在整體中的運動為五個驅(qū)動運動在Y軸方向的合成運動曲線，由于機身的轉(zhuǎn)動，手臂氣缸的位置發(fā)生變化。通過手臂氣缸位移、速度和角速度曲線的變化，分析手臂在整個運動過程的變化。

圖3 手臂氣缸在整體運動分析圖

3.位置和姿態(tài)控制

在工業(yè)機器人運動求解中，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動空間中的位置與姿態(tài)的關(guān)系。

基于機器人D-H模型建立工業(yè)機器人各桿件的運動學(xué)方程，求解在任意時刻桿件的位置與姿態(tài)。

機器人的每一個連桿都可以建立一個對應(yīng)的齊次變換矩陣Ai，矩陣Ai以此表示了連桿的四個運動。

從機器人的基座開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)系到機器人基座的總變換，即可得到連桿的瞬時位置與姿態(tài)。

以手腕的轉(zhuǎn)動運動分析，在MATLAB中建立手腕的運動學(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)動分析圖

由運動分析圖4可得：手腕在第9s開始以拋物線的角速度順時轉(zhuǎn)動45。。手腕在第31s—41s之間逆時針轉(zhuǎn)動90°，其中前5s以3.6。/s2進(jìn)行加速運動，后5s以3.6。/s2減速運動，轉(zhuǎn)動到90°時角速度等于零，擺動缸轉(zhuǎn)動無沖擊。當(dāng)時間為57s時，手腕開始順時針轉(zhuǎn)動90°，所用時間為10s。從手腕的仿真運動看滿足姿態(tài)設(shè)計要求。

二、結(jié)論

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

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