[发明专利]一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于机械臂仿真技术领域，涉及一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法。

背景技术

随着机械臂研究的不断深入，机械臂仿真技术作为机械臂研究领域中的一个重要部分，不仅能为机械臂的设计与研发提供安全可靠、灵活方便的分析工具，而且能对机械臂的各种性能和特点进行仿真研究。机械臂仿真技术应用在机械臂技术研究的很多方面，例如，为研究人员分析研究机械臂的机械结构方案提供参考依据；了解机械臂工作空间和工作极限；用于检验分析轨迹规划和作业路径的正确性与合理性；为研究离线编程技术提供有效的验证手段；可以实现对机械臂的控制系统进行编程指导；能够对机械臂的运动误差进行调试；验证运动控制系统的正确性；降低控制系统的设计难度和缩短机械臂的开发周期等。总而言之，计算机仿真技术在机械臂的研制、设计、开发和应用中正起着越来越重要的作用。同时，仿真试验结果也为生产制造机械臂提供了有效的参考和依据。

在当前的机械臂仿真技术领域里，机械臂仿真越来越趋向于数字化设计，但是在这一方面机械臂仿真还存在以下不足：

首先，机械臂仿真只集中于系统功能及研究范围某一方面。目前，机械臂仿真的研究方向主要集中于某一方面，一类将重点集中在机械臂实体几何建模以及三维图形可视化方面，降低了机械臂仿真的集成性；另一类则是将重点集中于系统在运动学与动力学的软件实现上，而仿真的目的不在于此，仿真的目的是系统的仿真分析结果及结果对机械臂性能的影响方面；所以机械臂仿真系统急需拓展和整合系统功能。

其次，在以往机械臂仿真的过程中，通常是利用常用的编程语言建立仿真平台，对机械臂进行建模、运动学及动力学分析及计算、设计优化等方面的工作。这种建模方法计算量大、过程复杂、费时费力、而且对编程能力要求很高，并且所建立的仿真平台通用性不强，在建立不同的仿真模型通常需要搭建不同的仿真平台，其适应性不强。

再次，针对于不同的研究内容，不同的机械臂仿真系统之间的关联性程度低、关系不够集中、集成性较差,又由于没有统一的数据交换平台，大大降低了仿真系统不同部分之间的仿真及分析结果相互之间的利用率，对建立完整通用的机械臂仿真系统造成了障碍。

虚拟样机(VirtualPrototype)是当前设计制造领域的一门新兴技术，该技术在计算机上通过CAD/CAM/CAE等技术将产品信息集成到计算机提供的可视化虚拟环境，在实际产品制造之前实现产品的仿真、分析与优化过程。虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，整合基于图形的用户界面技术和成熟的三维计算机图形技术，将分散的零部件设计和分析技术集成在一起，提供一个全新研发机械产品的设计方法。虚拟样机是一种计算机模型，它能够很直观表现产品的实际特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。运用系统仿真软件真实的模拟机械系统在各种各样的虚拟环境中的运动，并对其在各种工况下受力情况和运动情况进行仿真分析，然后观察各个组成部件的互相运动情况并对其进行实验。

借助于虚拟样机技术，研究设计人员可以在计算机上建立机械系统的几何实体模型，对其进行三维可视化处理，很方便的模拟在多种不同的虚拟环境下机械系统的运动情况和动力特性，快捷的分析对比多种方案，避免因多次进行物理实验所需要投入的风险及时间，减少物理样机的单机制造的高额成本，有着物理样机无法比拟的优势，并根据仿真结果分析和优化机械系统。由美国MSC公司设计和开发的机械系统动力学自动分析软件ADAMS(Automatic DynamicAnalysisofMechanicalSystem)能够将上述所有工作有机地结合起来，不但很好的提高了工作效率，而且ADAMS自身具有方便的可视化功能，其接口能够无缝的与多种绘图软件及分析软件建立连接。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，利用三维参数化建模软件绘制出机械臂三维实体模型，将模型导入到ADAMS中，通过添加运动约束和驱动等条件搭建起虚拟样机的仿真环境，对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于虚拟样机技术的机械臂仿真方法，包括以下步骤：步骤一：在三维建模软件中建立机械臂的三维实体模型；步骤二：将所建立的三维实体模型导入到机械系统动态分析软件中进行分析，重新添加质量、材料类型、运动约束和力的相关参数，搭建机械臂虚拟样机的仿真分析平台；步骤三：对机械臂在工作空间中的运动轨迹进行跟踪仿真，并对仿真结果进行分析。