張小江 高秀華 張永智

0 引言
　　
機(jī)器人仿真技術(shù)是計算機(jī)技術(shù)、機(jī)器人學(xué)和計算機(jī)圖形學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。借助于機(jī)器人的實體圖形對機(jī)器人的運動進(jìn)行仿真，可形象逼真地反映機(jī)器人工作運動的全過程，可以實現(xiàn)機(jī)器人機(jī)構(gòu)和控制器的優(yōu)化設(shè)計，規(guī)劃出最優(yōu)的運動軌跡。機(jī)器人的動態(tài)圖形仿真對機(jī)器人的設(shè)計、制造、試驗及其應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。機(jī)器人仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計和研究過程中安全可靠、靈活方便的工具，發(fā)揮著越來越重要的作用。目前，離線仿真在國內(nèi)雖然有些初步研究，但實際應(yīng)用很少?？梢灶A(yù)見隨著機(jī)器人在我國的大量應(yīng)用，離線仿真技術(shù)的研究和應(yīng)用不但迫在眉睫，同時它的成功研究和應(yīng)用也將有廣闊的市場前景。

1 DELMIA及其IGRIP
　　
DELMIA集成解決方案在全球領(lǐng)先的企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)中得到廣泛的應(yīng)用。在航空航天、汽車、造船、重型設(shè)備、日用消費品等各個行業(yè)發(fā)揮著重要的作用。DELMIA公司系列軟件以基于物理的虛擬設(shè)計與制造及虛擬機(jī)器人等模塊表現(xiàn)最為優(yōu)異。
　　
DELMIA軟件在機(jī)器人應(yīng)用仿真方面處于世界領(lǐng)先地位。DELMlA軟件能顯著降低人機(jī)時和工程準(zhǔn)備時間，提高仿真的精度。DELMIA／IGRIP是專業(yè)機(jī)器人模擬軟件，利用IGRIP可快速和圖形化地構(gòu)造各種應(yīng)用工作單元作業(yè)，同時DELMIA／IG—RIP能很容易導(dǎo)人CAD數(shù)據(jù)，自動碰撞偵測功能能避免破壞減小風(fēng)險。不管是對單個機(jī)器人作業(yè)單元還是整個工廠生產(chǎn)線，IGRIP都能提供相應(yīng)的解決方案以提高制造質(zhì)量、精度和效益。

2 機(jī)器人仿真
　
在機(jī)器人仿真研究中，仿真系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：三維幾何模型，運動計算，軌跡規(guī)劃，運動圖形仿真等。根據(jù)KUKA240—2型機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點，機(jī)器人仿真步驟如下。

2．1機(jī)器人任務(wù)的設(shè)定
　　
工業(yè)機(jī)器人一般有6個自由度，要實現(xiàn)機(jī)器人運動學(xué)的逆解是一項十分繁重的工作。DELMIA／IGRIP軟件能成功解決這困難。通過“RobotOf—flineProgramming”模塊中的“ImporttagGroupInfo”導(dǎo)入機(jī)器人路徑中的各點。在“RobotMo—tion”對話框中的“TargetAttributes”可看到機(jī)器人對應(yīng)點運動學(xué)逆解的各種解，DELMIA／IGRIP對這些逆解進(jìn)行r奇異性分析，可從中選擇恰當(dāng)逆斛。

2．2機(jī)器人軌跡規(guī)劃
　　
文中采用軌跡規(guī)劃方法為拋物線捅值。假定兩端的過渡域具有相同的持續(xù)時間t，且具有大小相等方向相反的恒定加速度。要保證軌跡連續(xù)光滑，即要求拋物線的終點速度必須等于線性段的速度。
　　
機(jī)器人各關(guān)節(jié)運動速度經(jīng)歷3個階段：機(jī)器人在第l階段從初速度作勻加速運動，在2階段作勻速運動，第3階段作勻減速運動，直至角速度為0。為使機(jī)器人運動平穩(wěn)，保證機(jī)器人在完成某項任務(wù)的加速度最小，文中采用的方法為：機(jī)器人運動過程中前一段作勻加速運動，后一段做勻減速運動中間不經(jīng)過勻速運動階段（即機(jī)器人關(guān)節(jié)運動只經(jīng)過第l，3階段）。這樣能保證機(jī)器人完成同一項任務(wù)的加速度比中間有勻速運動的加速度小。在這種前提下則下列條件成立：
　　
文中選用的時間為4S，在機(jī)器人的作業(yè)空間中選取了3個點，分別為tag1，tag2和tag3。

2.3機(jī)器人防碰撞和干涉檢測
　　
防碰撞檢測的目的是分析機(jī)器人和周圍環(huán)境可能出現(xiàn)的碰撞問題。干涉檢測是分析機(jī)器人在工作過程中有可能出現(xiàn)的奇異性及速度加速度等超限問題。這是保證機(jī)器人能正常工作的必要條件。機(jī)器人的防碰撞檢測問題比較復(fù)雜，在其設(shè)計中是一個非常棘手、但又必須妥善解決的問題。
　　
利用DELMIA／IGRIP的標(biāo)準(zhǔn)自動碰撞偵測功能允許用戶生成多個碰撞和接近隊列以避免碰撞，而且可由自動路徑規(guī)劃器，生成避碰機(jī)器人軌跡?？衫靡部蓹z測機(jī)器人速度和加速度超限問題，效率高，準(zhǔn)確度好，解決了實際工作中的難題，使機(jī)器人碰撞問題在設(shè)計過程中得到有效的解決。在DELMIA／IGRIP環(huán)境中防碰撞檢測的步驟是：在“SimulationAnalysisTools”工具欄中依次選擇“碰撞檢測（開啟）”，對機(jī)器人進(jìn)行碰撞檢測；“A—nalysisConfiguration”中的“DeviceSettings”對機(jī)器人工具的速度加速度等進(jìn)行檢測；AnalysisCon—figuration”中的“RobotSettings”對機(jī)器人的線速度、角速度、線加速度和角加速度進(jìn)行檢測；然后選擇“CheckClash”對機(jī)器人進(jìn)行干涉檢測。

2．4運動學(xué)仿真分析
　　
恨據(jù)機(jī)器人工作的特點，一般把饑器人各關(guān)節(jié)的軌跡，機(jī)器人末端的軌跡和機(jī)器人末端的位姿作研究對象，創(chuàng)建測量曲線，進(jìn)行運動學(xué)仿真分析。產(chǎn)生測量曲線的方法：點擊“SimulationAnaly—sis"Fools”中的“DataReadout”；在彈出窗口點擊“Sensors”按鈕，并選擇相應(yīng)的機(jī)器人；在彈出的“Sensormanagement”選擇需要測量的曲線，如各關(guān)節(jié)的軌跡、機(jī)器人末端的軌跡、機(jī)器人末端的位姿等；對機(jī)器人進(jìn)行仿真，在“SpreadSheet”得到需要測量的一系列數(shù)值，點擊“Graphics”便得到所要的各個曲線。我們也可以在“Customizedcurves”來繪制其它關(guān)系曲線。
　　
本文以KUKA240—2型搬運機(jī)器人為研究對象，對機(jī)器人的運動采用DELMIA／IGRIP進(jìn)行了分析，得到機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軌跡，如圖1～圖6所示，機(jī)器人末端的運動軌跡，如圖7～圖9所示，機(jī)器人末端的空間軌跡如圖10所示。

圖 4   4號關(guān)節(jié)軌跡 
 


　   
從圖中可以看出：機(jī)器人各關(guān)節(jié)在整個運動過程中的情況與所設(shè)定的初始條件吻合，整個曲線與各個工況運動一致。機(jī)器人末端的姿態(tài)一般用3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣來表示，DELMIA／IGRIP采用RPY方法，用這種方法，通過3個量就可以表示機(jī)器人的姿態(tài)。仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

從DELMIA／IGRIP對工業(yè)機(jī)器人的仿真分析來看，我們很清楚地得到機(jī)器人關(guān)節(jié)空間的軌跡、機(jī)器人末端的空間軌跡及其姿態(tài)，并且利用DEL—MIA／IGRIP能避免機(jī)器人的碰撞。

3 結(jié)束語
　　
機(jī)器人的運動仿真是機(jī)器人技術(shù)的一個重要組成部分，機(jī)器人仿真也是機(jī)器人離線編程系統(tǒng)中十分重要的一環(huán)。應(yīng)用DELMIA／IGRIP軟件的建模仿真模塊，成功解決了機(jī)器人在工作過程中無法直接觀察空間運動狀況的難題，是直觀方便地進(jìn)行機(jī)器人仿真的有益嘗試。

參考文獻(xiàn)：
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