李成浩

（蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院，蘇州 215163）

基于Solidworks創(chuàng)建的機(jī)械手的SimMechanics仿真

李成浩

（蘇州高博軟件技術(shù)職業(yè)學(xué)院，蘇州 215163）

通過(guò)Solidworks為三維建模軟件，快速建立了三指機(jī)械手三維實(shí)體模型。闡述CAD模型建立后，導(dǎo)入SimMechanics仿真的方法。通過(guò)機(jī)械手在SimMechanics中的仿真，得到其仿真動(dòng)畫(huà)，研究其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性。仿真流程的建立將為后續(xù)軌跡優(yōu)化算法設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析研究，提供仿真和驗(yàn)證途徑。

機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)仿真 Solidworks SimMechanics

引言

20世紀(jì)后半期，機(jī)械手設(shè)計(jì)開(kāi)始出現(xiàn)，并作為機(jī)器人領(lǐng)域的熱門(mén)研究，逐漸取得了巨大進(jìn)步和顯著進(jìn)展。伴隨著工業(yè)及其他受益于機(jī)械手研究和設(shè)計(jì)的產(chǎn)業(yè)要求的進(jìn)一步提高和社會(huì)對(duì)機(jī)械手功能的更高需求，機(jī)械手功能越來(lái)越完善，同時(shí)也造成機(jī)械手系統(tǒng)的復(fù)雜度提高和研究難度的上升。

當(dāng)前，仿真技術(shù)已成功應(yīng)用于航空航天、信息、生產(chǎn)制造、材料、軍事、經(jīng)濟(jì)等眾多領(lǐng)域。隨著研究對(duì)象的規(guī)模日益擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，基于計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)不僅有助于提高設(shè)計(jì)效率，縮短開(kāi)發(fā)周期，還不受環(huán)境氣候等因素的限制，且在保證安全、節(jié)省開(kāi)支、提高質(zhì)量等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

在機(jī)械工程領(lǐng)域，大型仿真軟件如ADAMS、ANSYS在各自的細(xì)分領(lǐng)域里都有專(zhuān)長(zhǎng)。而像傳統(tǒng)的CAD制圖軟件，如Pro/E、Solidworks等，也在原有功能上添加了多種仿真功能。SimMechanics（自MATLAB R2016a版本后更名為Multibody）是MATLAB軟件內(nèi)的一個(gè)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊集，可以對(duì)各種運(yùn)動(dòng)副連接的剛體進(jìn)行建模與仿真，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能分析的目的。利用此工具進(jìn)行機(jī)械手的分析不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和編程，依托MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬顯示。

1 Solidworks建立三指機(jī)械手模型

機(jī)械手有很多實(shí)體零件組成。如圖1所示，SimMechanics雖然可以通過(guò)Body Elements子模塊組中的Solid模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)組建，但與用Solidworks設(shè)計(jì)相比，操作難度高。特別是在零件裝配過(guò)程中，Solidworks憑借強(qiáng)大的圖形拖拽及可視化能力，在設(shè)計(jì)效率上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1 SimMechanics模塊組

文中仿真的機(jī)械手以Barrett Technology公司BH8系列的BarrettHand機(jī)械手作為參考。該機(jī)械手有三個(gè)手指，如圖2、圖3所示。手指1近指節(jié)關(guān)節(jié)固定，而手指2、3近指關(guān)節(jié)可繞Z軸旋轉(zhuǎn)一定角度；三個(gè)手指的中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)都為旋轉(zhuǎn)副關(guān)節(jié)，可繞X軸旋轉(zhuǎn)。

圖2 機(jī)械手三視圖

圖3 機(jī)械手Solidworks三維裝配圖

2 Solidworks裝配體導(dǎo)入SimMechanics

要將Solidworks裝配體導(dǎo)入SimMechanics，該過(guò)程依賴專(zhuān)用的XML文件。此文件存儲(chǔ)著裝配體的詳細(xì)模型描述數(shù)據(jù)。SimMechanics通過(guò)讀取XML文件，重新生成裝配體模型。

整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程分為兩步，即導(dǎo)出與導(dǎo)入，見(jiàn)圖4。導(dǎo)出過(guò)程中，將裝配體轉(zhuǎn)變成XML文件和STEP/STL文件，后者包含了裝配體零件的幾何性質(zhì)。導(dǎo)入過(guò)程中，把XML文件和STEP/STL文件轉(zhuǎn)化成SLX文件和一個(gè)數(shù)據(jù)文件。此時(shí)，SimMechanics將裝配體的所有特性都轉(zhuǎn)換完成。

圖4 Solidworks裝配體轉(zhuǎn)換流程圖

需要說(shuō)明的是，各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系既可以在Solidworks中完成，也可以把各個(gè)零件另存為STEP或者STL文件后，在SimMechanics中進(jìn)行裝配。兩者相比，前者只需要相連零件間的約束關(guān)系，就可實(shí)現(xiàn)裝配，無(wú)需零件間的基礎(chǔ)坐標(biāo)系的變換，因而不易出錯(cuò)。圖5是在Solidworks中裝配好后轉(zhuǎn)換的三指機(jī)械手SimMechanics模型。

3 SimMechanics仿真

機(jī)械手SimMechanics模型建立后，仍需要對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行一定修改，并且在各關(guān)節(jié)（Joint）處引入驅(qū)動(dòng)模塊，才能對(duì)所建模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

3.1 機(jī)械手仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程

圖6展示了機(jī)械手的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。初始狀態(tài)時(shí)，機(jī)械手三指攤開(kāi)；在0～3s內(nèi)，手指2和3繞著各自的近指節(jié)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)180°，至三指并攏，如圖6（c）所示；3～6s，三手指同時(shí)向掌心彎曲，做抓取狀；6～10s，三手指重新張開(kāi)。

圖5 三指機(jī)械手的SimMechanics模型

圖6 可視化機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程

3.2 仿真結(jié)果

此過(guò)程中，手指1的近指節(jié)固定不動(dòng)，該指其余關(guān)節(jié)可動(dòng)；手指2和手指3運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相同，所以只選取手指2作為研究對(duì)象。每個(gè)手指關(guān)節(jié)都讀取旋轉(zhuǎn)角度、角速度、角加速度三個(gè)參數(shù)，共五組，如圖7所示。

由于指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)都為勻速，所以旋轉(zhuǎn)角度都為斜坡信號(hào)；當(dāng)關(guān)節(jié)由靜止變成勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，該關(guān)節(jié)的角加速度為一個(gè)脈沖信號(hào)。

4 小結(jié)

（1）利用SimMechanics可對(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析，運(yùn)動(dòng)過(guò)程也是可視化的。

（2）文中仿真的對(duì)象為三指機(jī)械手，在結(jié)構(gòu)上具有一定的復(fù)雜度，直接在SimMechanics中建立三維模型有一定難度。運(yùn)用優(yōu)秀的三維CAD制圖軟件，如Solidworks，可快速、高效地設(shè)計(jì)出三維實(shí)體，再把三維實(shí)體通過(guò)接口導(dǎo)入SimMechanics，進(jìn)行仿真優(yōu)化。

圖7 五組指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

（3）整個(gè)仿真流程的建立，將為后續(xù)優(yōu)化軌跡算法設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析研究，提供仿真和驗(yàn)證途徑。

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[4]朱琪，吳雁，何玉安.基于SimMechanics的四自由度機(jī)械手控制系統(tǒng)機(jī)液耦合仿真[J].機(jī)床與液壓，2015，（3）：16-19.

SimMechanics Simulation of Manipulator based on Solidworks

LI Chenghao
(Suzhou Gao Bo software technology, Career Academy, Suzhou 215163)

The 3D solid model of the three finger manipulator was built by using Solidworks as the 3D modeling software. After the CAD model is established, the method of SimMechanics simulation is introduced. Through the simulation of manipulator in SimMechanics, the simulation animation is obtained, and its kinematics characteristics are studied. The establishment of simulation process will provide a simulation and verification approach for the design and dynamic analysis of the following trajectory optimization algorithms.

robot, motion simulation, Solidworks, SimMechanics