[發明專利]一種基于虛擬樣機技術的機械臂仿真方法

在審

• 申請號: 201410060210.X
• 申請日: 2014-02-21
• 公開（公告）號: CN103778301A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 張毅;羅元;林海波;蔡軍;劉想德;蒲興成;謝穎;李敏
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06T17/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

技術領域

本發明屬于機械臂仿真技術領域，涉及一種基于虛擬樣機技術的機械臂仿真方法。

背景技術

隨著機械臂研究的不斷深入，機械臂仿真技術作為機械臂研究領域中的一個重要部分，不僅能為機械臂的設計與研發提供安全可靠、靈活方便的分析工具，而且能對機械臂的各種性能和特點進行仿真研究。機械臂仿真技術應用在機械臂技術研究的很多方面，例如，為研究人員分析研究機械臂的機械結構方案提供參考依據；了解機械臂工作空間和工作極限；用于檢驗分析軌跡規劃和作業路徑的正確性與合理性；為研究離線編程技術提供有效的驗證手段；可以實現對機械臂的控制系統進行編程指導；能夠對機械臂的運動誤差進行調試；驗證運動控制系統的正確性；降低控制系統的設計難度和縮短機械臂的開發周期等?？偠灾?，計算機仿真技術在機械臂的研制、設計、開發和應用中正起著越來越重要的作用。同時，仿真試驗結果也為生產制造機械臂提供了有效的參考和依據。

在當前的機械臂仿真技術領域里，機械臂仿真越來越趨向于數字化設計，但是在這一方面機械臂仿真還存在以下不足：

首先，機械臂仿真只集中于系統功能及研究范圍某一方面。目前，機械臂仿真的研究方向主要集中于某一方面，一類將重點集中在機械臂實體幾何建模以及三維圖形可視化方面，降低了機械臂仿真的集成性；另一類則是將重點集中于系統在運動學與動力學的軟件實現上，而仿真的目的不在于此，仿真的目的是系統的仿真分析結果及結果對機械臂性能的影響方面；所以機械臂仿真系統急需拓展和整合系統功能。

其次，在以往機械臂仿真的過程中，通常是利用常用的編程語言建立仿真平臺，對機械臂進行建模、運動學及動力學分析及計算、設計優化等方面的工作。這種建模方法計算量大、過程復雜、費時費力、而且對編程能力要求很高，并且所建立的仿真平臺通用性不強，在建立不同的仿真模型通常需要搭建不同的仿真平臺，其適應性不強。

再次，針對于不同的研究內容，不同的機械臂仿真系統之間的關聯性程度低、關系不夠集中、集成性較差,又由于沒有統一的數據交換平臺，大大降低了仿真系統不同部分之間的仿真及分析結果相互之間的利用率，對建立完整通用的機械臂仿真系統造成了障礙。

虛擬樣機(VirtualPrototype)是當前設計制造領域的一門新興技術，該技術在計算機上通過CAD/CAM/CAE等技術將產品信息集成到計算機提供的可視化虛擬環境，在實際產品制造之前實現產品的仿真、分析與優化過程。虛擬樣機技術以機械系統運動學、動力學和控制理論為核心，整合基于圖形的用戶界面技術和成熟的三維計算機圖形技術，將分散的零部件設計和分析技術集成在一起，提供一個全新研發機械產品的設計方法。虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠很直觀表現產品的實際特性，包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性。運用系統仿真軟件真實的模擬機械系統在各種各樣的虛擬環境中的運動，并對其在各種工況下受力情況和運動情況進行仿真分析，然后觀察各個組成部件的互相運動情況并對其進行實驗。

借助于虛擬樣機技術，研究設計人員可以在計算機上建立機械系統的幾何實體模型，對其進行三維可視化處理，很方便的模擬在多種不同的虛擬環境下機械系統的運動情況和動力特性，快捷的分析對比多種方案，避免因多次進行物理實驗所需要投入的風險及時間，減少物理樣機的單機制造的高額成本，有著物理樣機無法比擬的優勢，并根據仿真結果分析和優化機械系統。由美國MSC公司設計和開發的機械系統動力學自動分析軟件ADAMS(Automatic?DynamicAnalysisofMechanicalSystem)能夠將上述所有工作有機地結合起來，不但很好的提高了工作效率，而且ADAMS自身具有方便的可視化功能，其接口能夠無縫的與多種繪圖軟件及分析軟件建立連接。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種基于虛擬樣機技術的機械臂仿真方法，利用三維參數化建模軟件繪制出機械臂三維實體模型，將模型導入到ADAMS中，通過添加運動約束和驅動等條件搭建起虛擬樣機的仿真環境，對機械臂在工作空間中的運動軌跡進行跟蹤仿真，并對仿真結果進行分析。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于虛擬樣機技術的機械臂仿真方法，包括以下步驟：步驟一：在三維建模軟件中建立機械臂的三維實體模型；步驟二：將所建立的三維實體模型導入到機械系統動態分析軟件中進行分析，重新添加質量、材料類型、運動約束和力的相關參數，搭建機械臂虛擬樣機的仿真分析平臺；步驟三：對機械臂在工作空間中的運動軌跡進行跟蹤仿真，并對仿真結果進行分析。