【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高 通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品的數(shù)字化模型 ,可以完成無(wú)數(shù)次物理樣機(jī)無(wú)法進(jìn)行的虛擬試驗(yàn) ,不但減少了物理樣機(jī)的數(shù)量 ,降低了成本 ,而且縮短了研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 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(guò) 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。 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá) 國(guó)家 ,如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛的應(yīng)用 ,應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、到醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。 美國(guó)航空航天局 (NASA)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (JPL)研制的火星探測(cè)器“探路號(hào)”，就是 JPL 工程師利用虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真研究研發(fā)的。美國(guó)波音飛機(jī)公司的波音 777飛機(jī)是世界上首架以無(wú)圖方式研發(fā)及制造的飛機(jī) ,其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析就是采用了虛擬樣機(jī)技術(shù) ,不但縮短了研發(fā)周期、降低了研發(fā)成本 ,而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功。 我國(guó)從“九五”期間開(kāi)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。近年來(lái) ,才嘗試著將虛擬樣機(jī)技術(shù)用于一般機(jī)械的開(kāi)發(fā)研制。天津大學(xué)與河北工業(yè)大學(xué)采用虛擬樣機(jī)技術(shù)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了沖擊式壓實(shí)機(jī) ,對(duì)其進(jìn)行了仿真計(jì)算 ,得到各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線 ,驗(yàn)證了壓實(shí)機(jī)各部件參數(shù)值的合理性。 【 4】 虛擬樣機(jī)概念正向廣度和深度發(fā)展 ,今后的虛擬樣機(jī)技術(shù)將更加強(qiáng)調(diào)部件、技術(shù)、知識(shí)的重用 ,強(qiáng)調(diào)便于虛擬樣機(jī)柔性協(xié)同的運(yùn)行管理的組織重構(gòu) ,強(qiáng)調(diào)跨領(lǐng)域技術(shù)的溝通支持，重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究： （ 1）基于虛擬樣機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)； （ 2）以虛擬樣機(jī)為中心 的并行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)； （ 3）分析和仿真工具的集成； （ 4）虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)性研究。 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。 它是 21 世紀(jì)最有前景的高科技技術(shù)之一，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)，圖形圖象技術(shù)，光學(xué)技術(shù)，控制技術(shù)等多種高科技的結(jié)合，是延伸人類感覺(jué)器官的一門科學(xué)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或者是人類想象的虛擬世界進(jìn)行三維建模并實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)頭盔顯示器或者三維投影技術(shù)顯示出來(lái)。 視景仿真 (Visual Simulation)是一種基于可計(jì)算信息的沉浸式交互環(huán)境，具體地說(shuō) ，就是采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的特定范圍的虛擬環(huán)境，用戶借助必要的設(shè)備以自然的方式與虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行交互作 用、相互影響，從而產(chǎn)生“沉浸”于等同真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。其作為計(jì)算機(jī)技術(shù)中最為前沿的應(yīng)用領(lǐng)域之一，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實(shí)、模擬駕駛、場(chǎng)景再現(xiàn)、城市規(guī)劃及其它應(yīng)用領(lǐng)域。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(lái)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(lè)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(jué)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。而可視化技術(shù)的出現(xiàn) ,使得人們能夠在三維圖形世界中觀察機(jī)器人 ,并通過(guò)計(jì)算機(jī)交互式對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教仿真?；?VC++ 的 OpenGL 上的工業(yè)機(jī)器人的視景仿真系統(tǒng)可以提供一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在不接觸實(shí)際機(jī)器人及其工作環(huán)境的情況下，通過(guò)圖形技術(shù)，提供一個(gè)和機(jī)器人進(jìn)行交互的虛擬環(huán)境。此系統(tǒng)充分利用 OpenGL 的實(shí)時(shí)交互性，模擬工業(yè)機(jī)器人的示教 /再現(xiàn)過(guò)程，可以在此系統(tǒng)上編輯工業(yè)機(jī)器人的程序并動(dòng)態(tài)模擬工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，觀察工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)果，檢驗(yàn)所編寫工業(yè)機(jī)器人程序的正確性。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(guò)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。另外，對(duì)于剛接觸工業(yè)機(jī)器人的操作員來(lái)說(shuō)，此系統(tǒng)可以提供與現(xiàn)實(shí)工業(yè)機(jī)器人幾乎相同的操作步驟，在操作員真正操作工業(yè)機(jī)器人之前，可以增加其操作的熟練程度，增加安全系數(shù)。 本文要研究的主要內(nèi)容 為了簡(jiǎn)化研究，本文采用一個(gè) 3自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人，分別通過(guò) ADAMS 軟件的建模和仿真，結(jié)合 MATLAB 的運(yùn)算功能，進(jìn)行了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和空間坐標(biāo)的軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最優(yōu)化。又在 Windows XP 環(huán)境下，利用 Visual C++ 和OpenGL 完成了基于模型的視景仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體工作如下： （ 1）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。按照通用的 DH 法則，通過(guò)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。 （ 2）在 ADAMS/View 中構(gòu)造機(jī)器人部件，運(yùn)用約束庫(kù)中的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)副對(duì)部件進(jìn)行鏈接，添加驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，完成三維建模。 （ 3）對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡進(jìn)行多項(xiàng)式優(yōu)化，利用 ADAMS/View 的仿真和后處理模塊，繪制小臂末端處所取點(diǎn)的位置、速度、加速度、角速度和角加 速度曲線，結(jié)合曲線進(jìn)行三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃的仿真分析，并進(jìn)行比較分析。 （ 4）利用 Visual C++ 和 OpenGL 導(dǎo)入并建立機(jī)械手模型，建立仿真場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)基于模型數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)仿真，并實(shí)現(xiàn)視角的交互式鍵盤控制。 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。在實(shí)際應(yīng)用中，最為感興趣的問(wèn)題是機(jī)器人手部（即末端執(zhí)行器）相對(duì)于參考坐標(biāo)系的空間描述。機(jī)器人可以看成為一個(gè)開(kāi)環(huán)的運(yùn)動(dòng)鏈，該鏈?zhǔn)怯梢唤M桿件相連而成，其一端固定在基座上，另一端固定在機(jī)器人手部上。兩個(gè)桿件 之間通過(guò)關(guān)節(jié)相連，關(guān)節(jié)由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，使桿件之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使機(jī)器人手部達(dá)到期望的位置和姿態(tài)。 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究過(guò)程中，又可以分為兩類基本問(wèn)題，即機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問(wèn)題與逆問(wèn)題。其中，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正問(wèn)題指在已知桿件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和關(guān)節(jié)變量值的前提下，求解機(jī)器人手部相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置與姿態(tài)的問(wèn)題；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆問(wèn)題指根據(jù)機(jī)器人手部在笛卡爾坐標(biāo)系中的位置與姿態(tài)求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量值的問(wèn)題。 【 5】 空間點(diǎn)和坐標(biāo)系的表示 空間點(diǎn)的向量表示 在直角坐標(biāo)系中，可以用一個(gè) 3 1 的位 置矢量來(lái)表示空間內(nèi)任意一點(diǎn)的位置。對(duì)于直角坐標(biāo)系中任意一點(diǎn) p的位置可以用 3 1的位置矢量 P表示為 xyzppp???????????P (21) 如圖 21 所示， xp ， yp 和 zp 分別 表示點(diǎn) P 在當(dāng)前坐標(biāo)系中的三個(gè)坐標(biāo)軸 方向的分量。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)。 【 10】 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 坐標(biāo)系在固定 參考坐標(biāo)系中的表示 當(dāng)一個(gè)坐標(biāo)系位于另一個(gè)坐標(biāo)系中時(shí)，如圖 22所示，通常用三個(gè)互相垂直的單位向量 n、 o、 a表示，這三個(gè)變量分別代表法線（ normal）、指向（ orientation）與接近（ approach）向量（如圖 22 所示）。每一個(gè)單位向量都可以由它所在參考坐標(biāo)系中的三個(gè)分量表示，這樣，坐標(biāo)系 F 就可以表示為由四個(gè)向量組成的矩陣： =0 0 0 1x x x xy y y yz z z zn o a pn o a pn o a p????????F （ 23） 圖 22 一個(gè)坐標(biāo)系在另一個(gè)坐 標(biāo)系中的表示 式（ 23）中前三個(gè)列向量取 w=0，表明該坐標(biāo)系三個(gè)單位向量 n、 o、 a的方向。而第四個(gè)列向量中 w=1，表示該坐標(biāo)系相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位置。 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。 齊次變換 空間中一個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于固定的參考坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)稱為齊次變換。齊次變換可以是平移運(yùn)動(dòng)，可以是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也可以是平移與旋轉(zhuǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 （ 1） 純平移齊次變換 如果一個(gè)坐標(biāo)系（它可能表示的是一個(gè)物體）在空間運(yùn)動(dòng)中相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系的姿態(tài)不發(fā)生變化，即 該坐標(biāo)系的三個(gè)單位向量方向不變，只改變它的坐標(biāo)原點(diǎn)位置，則稱這種運(yùn)動(dòng)為平移運(yùn)動(dòng)。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。 【 7】 圖 23 坐標(biāo)系的平移 平移后新的坐標(biāo)系原點(diǎn)位置向量可以表示為原來(lái)坐標(biāo)系的原點(diǎn)位置向量與位移向量 d的矢量和。 若采用矩陣形式，新坐標(biāo)系的矩陣表示可以通過(guò)將坐標(biāo)系左乘變換矩陣。由于平移過(guò)程中方向向量保持不變，所以平移變換矩陣 T可以簡(jiǎn)單地表示為 : 1 0 00 1 00 0 10 0 0 1xyzddTd????????? (25) 可以看到，矩陣的前三列沒(méi)有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（等同于單位矩陣），而最后一列表示平移運(yùn)動(dòng)，這個(gè)方程可以用符號(hào)表示如下： ( , , )n e w x y z o l dF T r a n s d d d F?? (26) 即 西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 1 0 00 1 00 0 10 0 0 1 0 0 0 10 0 0 1x x x x xy y y y ynewz z z z zx x x x xy y y y yz z z z zd n o a pd n o a pFd n o a pn o a p dn o a p dn o a p d? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ??? ???????????? (27) （ 2） 繞軸純旋轉(zhuǎn)齊次變換 為了簡(jiǎn)化旋轉(zhuǎn)變換的推導(dǎo)，假設(shè)坐標(biāo)系｛ B｝位于坐標(biāo)系｛ A｝的原點(diǎn)。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。這樣坐標(biāo)系｛ B｝可以由坐標(biāo)系｛ A｝經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)次變換后得到，由此可以推廣到其他旋轉(zhuǎn)情況。 設(shè)向量 x, y, z 為坐標(biāo)系｛ A｝的三個(gè)單位向量，空間任意一點(diǎn) p 的位置可以用向量 p表示。向量 p在坐標(biāo)系｛ A｝中 的表示為： A x x y y z zp = p i + p j + p k (28) 向量 p 在坐標(biāo)系｛ B｝中的表示為： B p ??? n n o op i + p j + p k