【正文】 sual C++ 、 OpenGL和從 MATLAB里導(dǎo)出的控制模型的數(shù)據(jù)對(duì)三自由度機(jī)器人進(jìn)行了視景仿真的研究。然后 在 Windows XP Professional 的系統(tǒng)環(huán)境下，以 Visuall C++為開發(fā)工具，建立了三自由度機(jī)械手視景仿真系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了仿真系統(tǒng)對(duì) MATLAB控制模型導(dǎo)出數(shù)據(jù)的讀取和利用。工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成 各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。和計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一樣，工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式。 【 2】 在國(guó)外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備被工業(yè)界廣泛應(yīng)用。進(jìn)口機(jī)器人數(shù)量超過 9000 臺(tái)，進(jìn)口額達(dá)到 億美元。 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡(jiǎn)介 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 2 頁(yè) 虛擬樣機(jī)的定義和特點(diǎn) 虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在建造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前 ,設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型 ,進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性 ,從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢(shì)以及可交互式地探索虛擬物體的功能 ,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。 C 實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)聯(lián)盟 廣泛地采用動(dòng)態(tài)聯(lián)盟 , 通過 Inter 共享和交流，臨時(shí)締結(jié)成的一種虛擬企業(yè)，適應(yīng)了快速變化的全球市場(chǎng) ,克服單個(gè)企業(yè)資源的局限性。 我國(guó)從“九五”期間開始跟蹤和研究虛擬樣機(jī)的相關(guān)技術(shù) ,主要研究集中在虛 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 3 頁(yè) 擬 樣機(jī)的概念、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的支撐技術(shù) ,應(yīng)用多集中在一些高精尖領(lǐng)域。 視景仿真技術(shù)簡(jiǎn)介 視景仿真的定義和特點(diǎn) 視景仿真又稱虛擬仿真 虛擬現(xiàn)實(shí)仿真。計(jì)算機(jī)仿真又稱全數(shù)字仿真，是根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來逼真模仿研究系統(tǒng)中的研究對(duì)象，將研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，建模編程，并且在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)．作為計(jì)算機(jī)仿真的組成部分，視景仿真采用計(jì)算機(jī)圖形圖 像技術(shù)，根據(jù)仿真的目的．構(gòu)造仿真對(duì)象的三維模型并再現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境，達(dá)到非常逼真的仿真效果．目前，視景仿真技術(shù)在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于各種研究領(lǐng)域：軍事演練、城市規(guī)劃仿真、大型工程漫游、名勝古跡虛擬旅游、模擬訓(xùn)練以及交互式娛樂仿真等．視景仿真技術(shù)對(duì)作戰(zhàn)裝備的使用效果有很好的實(shí)時(shí)顯示，給人以強(qiáng)烈的視覺上的沖擊，對(duì)提高武器裝備的性能、研制效率有著重要的作用 工業(yè)機(jī)器 人 視景仿真系統(tǒng)研究的意義 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 4 頁(yè) 由于機(jī)器人價(jià)格昂貴 ,以及機(jī)器人的作業(yè)空間需要較大而獨(dú)立的試驗(yàn)場(chǎng)地等諸多原因 ,不可能達(dá)到每個(gè)需要學(xué)習(xí)機(jī)器人的人都能親自操作 機(jī)器人的要求。進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)之前，可以 先在仿真系統(tǒng)上進(jìn)行模擬仿真，觀察實(shí)驗(yàn)的運(yùn)動(dòng)過程以及運(yùn)動(dòng)結(jié)果，避免直接在現(xiàn)實(shí)中操作對(duì)工業(yè)機(jī)器人及周圍物體可能造成的傷害。按照通用的 DH 法則，通過矩陣變換，得到了機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和初始坐標(biāo)，推導(dǎo)出機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的關(guān)節(jié)角度。 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 5 頁(yè) 第二章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)指研究機(jī)器人各個(gè)連桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間幾何關(guān)系。 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究過程中，又可以分為兩類基本問題，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問題與逆問題。這里 P稱為位置矢量，這 種表示法也可變化為如下形式： 圖 21 空間點(diǎn)的位置表示 Tx y zp p p w? ? ? ???? ??p (22) 加入一個(gè)比例因子 w ，使得 , yxzx y zpppp p pw w w???? ? ?， ?p 為 p 的齊次坐標(biāo)。 坐標(biāo)系的變換 坐標(biāo)系的變換包括繞固定參考坐標(biāo)系的變換和繞運(yùn)動(dòng)參考坐標(biāo)系的變換。如圖 23 所示，坐標(biāo)系｛ A｝沿平移向量 d 平移到新的位置 ： 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) T????x y zd d d d= (24) 其中 ,xyzd d d 是平移向量 d 相對(duì)于固定參考系三個(gè)坐標(biāo)軸方向的分量。純旋轉(zhuǎn)就是｛ B｝坐標(biāo)系在空間中運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系｛ A｝的位置不發(fā)生變化，即只改變?cè)撟鴺?biāo)系三個(gè)單位向量的方向而不改變其原點(diǎn)位置。如坐標(biāo)系｛ B｝只繞坐標(biāo)系｛ A｝的 x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ時(shí)，基本轉(zhuǎn)動(dòng)變換矩陣記為 Rot(x,θ )，由式（ 214）可以計(jì)算得： 1 0 0( , ) 00R o t x C SSC? ? ??????????? (215) 可以用同樣的方法來分析坐標(biāo)系｛ B｝繞坐標(biāo)系｛ A｝的 y軸和 z 軸旋轉(zhuǎn)的情況，結(jié)果如下： 0( , ) 0 1 00CSR o t ySC????????????? (216) 0( , ) 00 0 1CSR o t z S C??? ? ????????? (217) （ 3） 復(fù)合齊次變換 復(fù)合齊次變換是有由固定坐標(biāo)系或當(dāng)前運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的一系列沿軸平移和繞軸旋轉(zhuǎn)變換所組成的，此時(shí)該固定坐標(biāo)系在參考系中不僅原點(diǎn)位置發(fā)生變化，同時(shí)它的三個(gè)坐標(biāo)軸單位向量的方向也發(fā)生變化。也就是說，所有平移和旋轉(zhuǎn)都是相對(duì)于參考坐標(biāo)系的軸來測(cè)量的。由于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的點(diǎn)或剛體的位置總是相對(duì)于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系測(cè)量的，所以必須右乘來表示該點(diǎn)或剛體的位置矩陣。下面是關(guān)于 x軸簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)矩陣的求逆過程。由機(jī)器人手的位姿來求關(guān)節(jié)和連桿變量的過程就稱為機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。 圖 23 機(jī)器人手的位置和姿態(tài)描述 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁(yè) 機(jī)器人手部的位姿如圖 23 所示，可由固接在機(jī)器人手部的坐標(biāo)系｛ B｝來表示。前面已經(jīng)討論過了一個(gè)坐標(biāo)系在固定坐標(biāo)系的表示故這里直接給出坐標(biāo)系｛ B｝在坐標(biāo)系｛ A｝中的位姿的表示： Y Y Y Y=0 0 0 1n o a pn o a pn o a p? ? ? ?? ? ? ?????????F （ 222） 正運(yùn)動(dòng)學(xué)的 DH 表示法 機(jī)器人建模采用的是 Denavit 和 Hartenberg 提出來的標(biāo)準(zhǔn)方法，我們簡(jiǎn)稱為DH模型，該模型可用于任何復(fù)雜的機(jī)器人構(gòu)型。如圖 24所示，任意三個(gè)順序連接的關(guān)節(jié)和連桿，每個(gè)關(guān)節(jié)都可以平移或旋轉(zhuǎn)。關(guān)節(jié) n處 z 軸的下標(biāo)記作 n1。例如 na 表示 1nz? 和 nz 之間的公垂線， nx 的方向即沿 na 方向。通常只有 ? 和 d 是變量。 ? 將 nz 軸繞 1nx? 旋轉(zhuǎn) 1n?? ，使得 nz 和 1nz? 對(duì)準(zhǔn)。每個(gè)變換矩陣（記作 A）都是由上述四個(gè)矩陣依次右乘的結(jié)果：111 1 1 111111111( , ) ( 0 , 0 , ) ( , 0 , 0) ( , )00 1 0 0 00 1 0 0000 0 10 0 1 00 0 0 10 0 0 11 0 0 01 0 0000 1 0 00 0 1 00 0 0 1nnnn n n nnnnnnnnnTARot z Tran s d Tran s a Rot xCCdaCS??????????? ? ? ??????????? ? ? ??? ???? ???????? ???????? ?????????????????????－ SS11000 0 0 1nnSC?????????????? （ 223） 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 111 1 100 0 0 1n n n n n n nn n n n n n nnn n nC S C S S a CS C C C S a SAS C d? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ???? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ?????????? （ 224） 從機(jī)器人基座到手（末端執(zhí)行器）之間的總變換可以表示為： 1 2 11 2 3 1 2 3. . . . . .R R nH n nT T T T T A A A A??? （ 225） 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們?yōu)殛P(guān)節(jié)和連桿參數(shù)制作一個(gè)表格，每個(gè)參數(shù)可以從機(jī)器 人的原理圖上讀出，計(jì)算時(shí)再這些參數(shù)代入 A矩陣。 0 0 0176。 0 200 0176。我們可以通過矩陣 RHT 左乘 1nA? 來求解，如下： Y Y Y Y1 2 3 ...0 0 0 1RHnn o a pn o a pT A A A An o a p? ? ? ?? ? ? ??????????? （ 226） 為了求解角度， 我們從 11A? 開始，依次左乘上述矩陣，得到每個(gè)關(guān)節(jié)角度表達(dá)式： 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 16 頁(yè) 1 Y Y Y Y1 2 3 ...0 0 0 1nn o a pn o a pA A A An o a p? ? ? ??? ? ? ??????????? （ 227） 因此，我們的三自由度機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度表達(dá) 1 ar ct an ( / )XYPP? ?? ? ? ??2 1 3 3 3 1a r c c o s ( 1 ) / 1 8 ( 1 )ZYP C C P S C C? ? ? ? ? ???? ? ? ??? ? ?223 a r c c o s ( / ) ( ) 1 6 2 / 1 6 2YZP C P?? ??? ? ??? （ 228） 微分運(yùn)動(dòng) 微分運(yùn)動(dòng)即機(jī)器人的微小運(yùn) 動(dòng)，可以用它來推導(dǎo)不同部件之間的速度關(guān)系。因此在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中，我們可以將關(guān)節(jié)的微分運(yùn)動(dòng)與速度聯(lián)系起來。 A 創(chuàng)建模型 創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)模型時(shí) ,首先要?jiǎng)?chuàng)建構(gòu)成模型的各個(gè)零部件。通過對(duì)模型的性能測(cè)試 ,驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的正確性，然后 ,在模型中增加更復(fù)雜的因素 ,進(jìn)一步細(xì)化模型。 【 15】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 19 頁(yè) 設(shè)置建模環(huán)境 打開 ADAMS/View,選擇創(chuàng)建新模型，將機(jī)械手模型命名為 model_2jixieshou,其他采用系統(tǒng)默認(rèn)值，進(jìn)入建模界面。我們構(gòu)建的是機(jī)器人的三維立體模型，其主要部件都是剛體。這種工作方法為最后的總裝提供和很大的便利和好處，節(jié)省了很多時(shí)間，提高了工作效率，值得在其他工作中借鑒。我們?cè)O(shè)計(jì)用的機(jī)器人材料為鋁材，初始位移為各個(gè)點(diǎn)的初始位置，初始速度設(shè)置為零。如我們模擬提升物體的操作過程，那么我們就在小臂（ PART6）的端部PART6_MARKER_6 處添加一個(gè)大小為 10N 方向向下的力。 【 12】 本文分別給出了對(duì)模型進(jìn)行關(guān)節(jié)空間和直角空間軌跡規(guī)劃方法的理論分析，并在 ADAMS/View 的仿真和后處理模塊中利用 ADAMS 內(nèi)嵌的 step 函數(shù)對(duì)關(guān)節(jié)空間內(nèi)三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃進(jìn)行了