隨著機(jī)器人研究的深人和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的安全可靠、靈活方便的上具，發(fā)揮著重要的作用，是機(jī)器人研究領(lǐng)域的一項(xiàng)很重要的內(nèi)容。仿真利用計(jì)算機(jī)模擬機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，幫助研究人員了解機(jī)器人工作空間的形態(tài)及極限，揭不機(jī)構(gòu)合理的運(yùn)動(dòng)方案和控制算法，從而解決在機(jī)器人設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題，避免了直接操作實(shí)體可能造成的事故和不必要的損失。
   
    由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了許多計(jì)算機(jī)三維動(dòng)態(tài)仿真軟件，如美國(guó)MDI公司的ADAMS，即機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)白動(dòng)分析軟件;SolidWorks公司的Designer/Dynamic Motion動(dòng)力學(xué)仿真軟件等。本文采用SolidWorks作為建模軟件，選用其自帶的Designer/Dvnamic Motion(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Motion、作為動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真本文論述的專(zhuān)用重型桶裝物品堆垛機(jī)器人是為了滿(mǎn)足某冶煉廠生產(chǎn)實(shí)際需求，要將輥道輸送線,的桶裝砒酸(108公斤/桶)不損壞油漆及開(kāi)啟銷(xiāo)定位搬至包裝箱堆垛并打捆，以待裝集裝箱。
   
    1機(jī)器人的三維裝配體建模
   
    在進(jìn)行機(jī)器人的三維動(dòng)態(tài)仿真之前，必須對(duì)機(jī)器人進(jìn)行建模，也就是機(jī)器人裝配設(shè)計(jì)。在裝配中，首先必須進(jìn)行部件的裝配。本文論述的機(jī)器人部件包括撥盤(pán)部件、槽輪部件、立柱部件、手臂部件等為r動(dòng)態(tài)仿真的需要，進(jìn)行總裝配之前，首先必須知道零件中哪些為不動(dòng)件.哪些為可動(dòng)件將不動(dòng)零件裝配在一起形成撥盤(pán)部件。在總裝配時(shí)，首先確定撥盤(pán)為基部件.即為其它部件裝配時(shí)的參考體〔其它部件為子部件，如槽輪部件、手臂部件等。然后，將子部件和其他零件利用裝配約束關(guān)系在基部件上裝配.
   

    2機(jī)器人的動(dòng)態(tài)仿真
   
    在機(jī)器人裝配完成后，我們就可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析在SolidWorks工具菜單中選擇插件，彈出對(duì)話框，選擇COSMOS/Motion單擊確定，進(jìn)人Motion界面，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。
   
    (1)零部件分類(lèi)和添加約束
   
    在仿真之前，必須在零部件中確定運(yùn)動(dòng)部件和固定部件，將固定部件拖動(dòng)到Ground Parts目錄下，余下的就是運(yùn)動(dòng)部件，它們放在Moving Parts 目錄下。在機(jī)器人仿真中， Ground Parts有撥盤(pán)部件等，Moving Parts包括槽輪部件、立柱部件、手臂部件等。也可以在進(jìn)入Motion時(shí)，選擇自動(dòng)零部件分類(lèi)，計(jì)算機(jī)按照裝配時(shí)的裝配關(guān)系決定哪些是運(yùn)動(dòng)部件，哪些是固定部件.
   
    在Motion中，添加約束的步驟是:首先，打開(kāi)添加約束對(duì)話框;其次，選擇零件，可以在管理樹(shù)中也可以在顯示窗門(mén)中選擇;然后，確定約束的位置;最后.確定約束的方向。
   
    在機(jī)器人系統(tǒng)巾，添加的約束有四十多個(gè)，其中鉸鏈約束、圓柱副約束最多。機(jī)器人的約束類(lèi)型取決于機(jī)器人裝配時(shí)的約束關(guān)系，如同軸關(guān)系在約束中就添加為圓柱副約束。在機(jī)器人中，撥盤(pán)和撥盤(pán)軸、槽輪和工作臺(tái)之間的約束均為圓柱副約束。
   
    (2)載荷的添加
   
    動(dòng)力學(xué)仿真中載荷的添加是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。Motion中載荷主要分為二類(lèi)，即外界作用力、相互作用力和重力。在添加載荷之前，必須了解載荷的以卜幾個(gè)方面:①載荷的種類(lèi)，該載荷是力還是力矩;②該載荷作用在哪個(gè)或哪些零件上;③載荷作用點(diǎn);④載荷的大小和方向:
   
    在機(jī)器人中，機(jī)器人是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)槽輪機(jī)構(gòu)從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。因此，載荷實(shí)際上是一個(gè)力矩，而且是一個(gè)隨時(shí)間而變化的力矩。
   
    (3)材料的選擇
   
    在Motion中，提供了一個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，可以從中選擇材料賦給所需要的零件。當(dāng)零件材料比較特殊時(shí)，Motion提供了材料的添加功能，可以根據(jù)所需材料的屬性定義將一個(gè)新材料添加到材料庫(kù)中，屬性包括密度、比熱、剛度、彈性等。
   
    在機(jī)器人中，給每一個(gè)零件都根據(jù)實(shí)際定義了材料屬性。撥盤(pán)軸、槽輪軸、滑輪軸是45號(hào)鋼，工作臺(tái)轉(zhuǎn)盤(pán)是ZG35，撥盤(pán)、滑輪、滑輪架、槽輪是HT20-400。
   
    (4)運(yùn)動(dòng)的獲得
   
    通過(guò)定義系統(tǒng)遵循一定的規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，一方面可以對(duì)系統(tǒng)的某些自由度進(jìn)行約束;另一方面可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
   
    在Motion中，定義一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是靠定義一個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)來(lái)獲得。在約束中，如果不是固定約束，總有一個(gè)或幾個(gè)自由度沒(méi)有約束，而在這些自由度上就可以添加運(yùn)動(dòng)來(lái)約束自由度。
   
    在機(jī)器人中，機(jī)器人的動(dòng)力是通過(guò)電機(jī)獲得的電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)撥盤(pán)抽的轉(zhuǎn)動(dòng)，而撥盤(pán)軸是用鍵跟撥盤(pán)固定在一起，因此，給予撥盤(pán)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)就等于給予撥盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。
   
    (5)動(dòng)態(tài)仿真
   
    在動(dòng)態(tài)仿真之前，必須劉機(jī)械系統(tǒng)完成添加約束、載荷，給零件賦予材料，添加運(yùn)動(dòng)等。
   
    在動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，為了獲得理想的效果，必須對(duì)仿真進(jìn)行設(shè)定，動(dòng)畫(huà)仿真的實(shí)質(zhì)是靜態(tài)的圖片利用視覺(jué)的暫留現(xiàn)象一幀一幀的連續(xù)播放。因此，必須設(shè)定仿真的時(shí)間.仿真的起始幀畫(huà)、結(jié)束幀畫(huà)，前一幅幀畫(huà)到后一副幀畫(huà)的間隔時(shí)間。
   
    在機(jī)器人的動(dòng)態(tài)仿真中，設(shè)置的仿真時(shí)間是10秒，設(shè)置的動(dòng)畫(huà)幀數(shù)是500幅，如圖1所示。在仿真控制板中，可以對(duì)仿真進(jìn)行操作，如對(duì)仿真時(shí)間的修改等。
   
    3仿真結(jié)果處理
   
    任何一個(gè)動(dòng)畫(huà)仿真都是為了獲得仿真后的結(jié)果，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，如此反復(fù)，直到得到最優(yōu)的結(jié)果為止。
   
    在Motion中，對(duì)仿真結(jié)果顯示和分析的方法主要有:
   
    ①將結(jié)果用動(dòng)畫(huà)的形式，即將動(dòng)態(tài)仿真用AVI動(dòng)畫(huà)播放;
    ②將結(jié)果以坐標(biāo)曲線的圖形表示，在SolidWorks界面中動(dòng)態(tài)仿真后，我們就可以查看曲線圖，得到所需的結(jié)果;
    ③仿真結(jié)果以Excel表格數(shù)據(jù)或Text文檔形式輸出，從表格數(shù)據(jù)和文檔中直接讀出數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析
   
    本文主要研究第一方面內(nèi)容，即將結(jié)果用動(dòng)畫(huà)的形式表示出來(lái)，得到機(jī)器人仿真的視覺(jué)效果，即機(jī)器人是如何運(yùn)動(dòng)的，以何種方式運(yùn)動(dòng)，從而獲得一個(gè)感性的認(rèn)識(shí)。
   
    當(dāng)運(yùn)動(dòng)仿真完成后，點(diǎn)擊Motion菜單中的Export Resalts子菜單中的To AVI Movie,就可以將仿真以動(dòng)畫(huà)的形式播放出來(lái)。
   
    如圖2所示，機(jī)器人的AVI動(dòng)畫(huà)在RealPlayer中的一個(gè)片段，在動(dòng)畫(huà)中，設(shè)置的播放時(shí)間是10秒。從動(dòng)畫(huà)中可以看到撥盤(pán)帶動(dòng)槽輪運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人手臂左右擺動(dòng)，符合本文設(shè)計(jì)要求。
   

    4小結(jié)
   
    對(duì)于機(jī)器人的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，根據(jù)仿真分析，可以有以下用途:
   
    ①檢查機(jī)器人各零部件能否裝配成總體以及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)零部件之問(wèn)有無(wú)碰撞、干涉現(xiàn)象發(fā)生;
    ②分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特性，得出系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，檢查是否符合要求;
    ③提高設(shè)計(jì)效率，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用和制造成本;
    ④提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能和產(chǎn)品質(zhì)量，獲得最優(yōu)化和最創(chuàng)新的設(shè)計(jì)產(chǎn)品。