基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真-精品

1、 毕业论文（设计）题 目 基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真 系 部 机械工程系 专 业 年级 学生姓名 学 号 指导教师 手术机器人的运动仿真机械设计制造及其自动化学生 指导老师 【摘要】: 首先进行了背景知识的学习，包括手术机械手基本知识的了解，明确了手术机械手的应用环境，国内外研究趋势，以及手术机械手中主要涉及的关键技术。学习了有关虚拟样机的知识，了解了各种仿真软件的优劣，最终确定了采用ADAMS进行仿真分析。学习仿真软件ADAMS。通过实际操作ADAMS软件，并进行大量的实例练习，对软件能熟练的使用，然后查阅相关资料，明确使用该软件要达到的最终目的，并确定方法。建立仿

2、真模型。对本文所使用的机器人的结构进行详细了解，并在Solid Works软件中建立出机器人的各个零件的三维模型，并在Solid Works环境中进行了装配，检查了装配结果。然后查阅资料，了解Solid Works与ADAMS软件之间的数据是如何传输的，并确定本文所使用的传输方法。在仿真软件中处理模型。将模型导入仿真软件中，对其进行相应的处理，进行了修改质量、添加约束等，然后创建驱动函数等操作，最后验证仿真模型。为仿真做好准备。仿真运行及数据测量分析。在软件中对机器人进行仿真，并测出其运动特性曲线，并对曲线进行分析。进行了论文写作。【关键字】: 机械手 仿真 ADAMS SOLIDWORKSD

3、igital Dual-Longitudinal Mode Laser Thermal Frequency Stabilization Circuit Design【Abstract】: First, the background knowledge for learning, including basic knowledge of surgical robot to understand clearly the surgical robot to be With the environment, domestic and international research trends

4、, and the surgical robot mainly related to key technologies. Learning to know about the virtual prototype Knowledge, understanding the advantages and disadvantages of various simulation software, and ultimately determine the use of ADAMS simulation analysis. Learning simulation softwa

5、re ADAMS. ADAMS software through hands-on and a lot of instances of practice, the use of software proficiency, and access to relevant information, Explicitly use the software to achieve the ultimate goal, and identify methods. Build simulation models. Robot used in this article t

6、he knot Detailed understanding of structure, and Solid Works software to create the robot in various parts of the three-dimensional model, and in the Solid Works environment was assembled to check the assembly results. And access to information, understanding between Solid Works and A

7、DAMS, How the data is transmitted, and to determine the transmission method used in this article. Processing model in the simulation software. The model into simulation Fax software and to carry out the appropriate treatment, were revised quality, add constraints, and then create

8、 the drive functions and other operations, Finally, simulation model validation. Ready for simulation. Simulation run and the data measurement and analysis. In the software simulation of the robot True, and measure its movement characteristic curve, and curve analysis. 

9、Conducted a thesis writing. 【Key words】: robot simulation ADAMS SOLIDWORKS目 录1.绪论11.1.研究背景11.2.研究意义21.3.研究内容22.虚拟样机技术42.1.虚拟样机技术的内容42.2.虚拟样机技术与传统CAX（CAD/CAE/CAM）技术的比较52.3.虚拟样机技术的应用63.ADAMS软件83.1.ADAMS的功能概述83.1.1.ADAMS 的一些主要模块83.1.2.ADAMS建模、仿真步骤93.2.ADAMS的建模功能103.2.1.ADAMS中的零件103.2.2.在零件上施加约束和运动

10、113.2.3.给零件施加作用力123.3.ADAMS的分析功能123.3.1.ADAMS中的测量123.3.2.系统元素和数据元素133.3.3.用ADAMS对模型进行仿真134.机械手三维模型建立144.1.SW概述144.2.机械手零件建模144.3.机械手装配184.4.SW与ADAMS数据传递205.基于ADAMS的仿真分析225.1.导入机器人模型及设置工作环境225.1.1.导入机器人模型225.1.2 设置工作环境235.2.修改机器人模型的材料、颜色、名称及验证模型255.2.1.修改机器人模型的材料255.2.2.修改机器人各构件的颜色及名称255.2.3.检查模型275.

11、3.创建约束及驱动275.3.1.创建约束275.3.2.创建驱动305.4.验证模型315.5.仿真控制325.6.运动学仿真335.6.1.仿真过程及机器人末端的运动轨迹335.6.2.机器人末端点的测量346.结论与展望37参考文献39致 谢401.绪论1.1.研究背景机器人技术是一种综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学最新研究成果的综合性技术，是机电一体化技术发展进步的典型代表。机器人自20世纪60年代问世以来，各种用途的机器人在多个领域获得广泛应用，机器人技术的发展正受到越来越多的国家的重视。随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机

12、器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用，特别是医用手术机器人已经步入了临床医学的殿堂并正在独领风骚。医用手术机器人是一个多学科的交叉研究领域,它集医学、机器人技术、生物力学、材料学、机械工程学、计算机科学等诸多学科于一身,因而成为国际医学界研究的热点。目前，医用手术机器人已广泛应用于外科手术规划模拟、辅助显微手术、神经外科、矫形外科以及内窥镜手术中。手术机器人系统可以在手术前帮助医生进行手术的规划和模拟操作,并且在手术中协助甚至代替外科医生进行相关的手术操作。外科手术机器人以其定位准确、运行稳定、结构灵活多变、工作范围大、不怕辐射和感染等优点，大大延伸了医生的技能。近年来，国内外专家学者都在积

13、极开展外科手术机器人方面的研究，并取得了丰硕的成果。已经有一些成熟的手术机器人系统用于临床手术上，同时有更多的机器人系统正被研制和开发。按照不同的分类方法，可以将外科手术机器人划分为不同的类型。根据手术对象的不同可分为：神经外科手术机器人、腹腔内窥镜手术机器人、整形外科手术机器人、显微外科手术机器人和胃肠道检测机器人。根据机器人系统自动化水平不同可分为：手动操作外科手术机器人、半自动操作外科手术机器人和全自动外科手术机器人。根据结构形式不同可分为：主动式外科手术机器人、主从式外科手术机器人、遥控操作外科手术机器人。虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology)是指

14、在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某一单一系统中零部件的CAD和FEA技术）揉和在一起，在计算机上制造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，从而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至

15、是破坏性的。当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计试验设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机制造增加了成本，在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的缺陷在竞争的市场的背景下，基于物理样机的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统设计和制造过程中的缺点的新技术。在该技术中，设计人员直接利用计算机辅助设计(CAD)系统提供的

16、零部件的物理信息和几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中模拟系统的运动，并对其在各种情况下的运动和受力情况进行分析，观察并实验各组成部件相互运动情况，并在计算机上反复地修改设计缺陷，仿真不同的设计方案，对整个系统不断地进行改进，直到获得最优的设计方案后，再进行物理样机的试制。这样，能够缩短研发周期，尽量降低成本，避免不必要的损失。1.2.研究意义在三维建模软件中完成手术机械手三维模型的建立，导入事先通过运动反解得到的驱动数据，在ADAMS环境中进行仿真，主要有以下几方面的意义：1) 可以得到手术机械手末端

17、关节的运动轨迹，并可以对各个运动量进行测量，评估运动轨迹是否满足手术实践的需要；2) 若运动轨迹不满足手术需要，可以通过修改驱动数据，来对运动轨迹进行不断的修改，从而得到正确的驱动数据，减少物理试验的过程；3) 根据仿真结果，可以判断手术机械手机械结构的设计是否合理，是否存在干涉的情况和自锁的情况；4) 根据仿真结果中对各运动量的测量，可以判断运动过程中是否存在冲击，运动情况是否满足手术中的需求，运动是否可靠；5) 手术机械手仿真的运动，对于整个手术机械手开发过程有着积极的意义。1.3.研究内容本课题进行了以下方面的研究：1) 首先进行了背景知识的学习，包括手术机械手基本知识的了解，明确了手术

18、机械手的应用环境，国内外研究趋势，以及手术机械手中主要涉及的关键技术。学习了有关虚拟样机的知识，了解了各种仿真软件的优劣，最终确定了采用ADAMS进行仿真分析。2) 学习仿真软件ADAMS。通过实际操作ADAMS软件，并进行大量的实例练习，对软件能熟练的使用，然后查阅相关资料，明确使用该软件要达到的最终目的，并确定方法。3) 建立仿真模型。对本文所使用的机器人的结构进行详细了解，并在Solid Works软件中建立出机器人的各个零件的三维模型，并在Solid Works环境中进行了装配，检查了装配结果。然后查阅资料，了解Solid Works与ADAMS软件之间的数据是如何传输的，并确定本文所

19、使用的传输方法。4) 在仿真软件中处理模型。将模型导入仿真软件中，对其进行相应的处理，进行了修改质量、添加约束等，然后创建驱动函数等操作，最后验证仿真模型。为仿真做好准备。5) 仿真运行及数据测量分析。在软件中对机器人进行仿真，并测出其运动特性曲线，并对曲线进行分析。6) 进行了论文写作。2.虚拟样机技术虚拟样机技术是近些年在产品开发的CAX如CAD、CAE、CAM等技术和DFX如DFA（Design For Assembly 面向装配的设计）、DFM（Design For Manufacture 面向制造的设计）等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，

20、将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。 2.1.虚拟样机技术的内容 按照美国前MDI公司总裁Robert R. Ryan博士（MDI公司现已被MSC. Software公司收购）对虚拟样机技术的界定，虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机（Digital Mock-up）、功能虚拟样机（Functional Virtual Pr

21、ototyping）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）三个方面内容。数字化物理样机对应于产品的装配过程，用于快速评估组成产品的全部三维实体模型装配件的形态特性和装配性能；功能虚拟样机对应于产品分析过程，用于评价已装配系统整体上的功能和操作性能；虚拟工厂仿真对应于产品制造过程，用于评价产品的制造性能。这三者在产品数据管理（PDM）系统或产品全生命周期管理（PLM）系统的基础上实现集成。 数字化物理样机（DMU - Digital Mock-up）解决方案不同于以UG和CATIA为代表的结构设计软件，不是强调结构上的设计，而是更重视物理样机零部件的形态特性和系统

22、装配特性的数字化检视。DMU充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动包迹、冲突检测等功能，并有效支持协同设计、巡航浏览、干涉/碰撞检测等。在与产品数据管理（PDM）系统集成的情况下，DMU能提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好（fit特性），并且显示为所设计的形态（form特性）。国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有Tecoplan、EDS/VisMock- up、Clarus和Division等。 功能虚拟样机（FVP Functional Virtual Prototyping）解决方案充分利用三维零件的实体模型和零件

23、有限元模型的模态表示，在虚拟实验室或虚拟试验场的试验中精确地预测产品的操作性能，如运动/操纵性、振动/噪声、耐久性/疲劳、安全性/冲击、工效学/舒适性等等。在这方面居领先地位的主要公司/产品有MSC/ADAMS、LMS/DADS等。 虚拟工厂仿真（VFS Virtual Factory Simulation）解决方案对产品完整的制造和装配过程进行仿真，以解决产品制造和装配过程中的公差、机器人、装配、序列等问题。在这方面突出的公司和产品主要有Tecnomatix/eMPower、Deneb/QUEST（现为Delmia公司产品）。 数字化物理样机（DMU）、功能虚拟样机（FVP）和虚拟工厂仿真（

24、VFS）联合起来，提供了有效的方法实现从实体物理样机向软件虚拟样机的转化，从而有效地支持了虚拟产品开发。虚拟样机技术的内容如图2-1所示。 图2-1 虚拟样机技术内容2.2.虚拟样机技术与传统CAX（CAD/CAE/CAM）技术的比较 从20世纪7080年代起，传统意义上的CAD/CAE/CAM技术开始进入实用阶段，它们主要关注产品零部件质量和性能，通过采用结构设计、工程分析和制造过程控制的软件或工具，以达到设计和制造高质量零部件的目的。具体地说，传统的CAD技术基于三维实体几何造型技术，支持产品零部件的详细结构设计和形态分析。传统的CAE技术主要指应用有限元软件，完成产品零部件的结构分析、热

25、分析、振动特性等功能分析问题。传统的CAM技术旨在提高产品零部件的可制造性，提供对机床、机器人、铸造过程、冲压过程、锻造加工等方面更好的控制。 在过去的几十年里，传统的CAD/CAE/CAM技术在主要的工业领域（汽车、航空、通用机械、机械电子等）得到了广泛的应用，并且取得了巨大的成效。以汽车工业来说，在19951999的五年里，零部件故障率降低了40%，与之相伴的，是产品开发和制造成本的相应降低。 但是，产品零部件的优化并没有带来期望的系统的优化。继续上面汽车工业的例子，在同样的周期内，虽然采用优化了的零部件，但整车制造商并没有取得与之对应的效益的提升。这是因为产品零部件的形态特性、配合性、功

26、能、制造过程中的装配性等因素之间存在着依赖关系，其间的相互作用极大地影响了产品的整体质量和性能。 虚拟样机技术与传统CAD/CAE/CAM技术最大的差别正在于这一点，即前者是面向系统的设计/分析/制造、以提高产品整体质量和性能并降低开发与制造成本为目的的，而后者是面向产品零部件的设计/分析/制造、以提高零部件的的质量和性能为目的的。两者的对照和比较如图2-2所示。 图2-2 虚拟样机技术与传统CAD/CAE/CAM技术的比较2.3.虚拟样机技术的应用 虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用

27、机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等诸多方面。 本章开篇所述的美国波音飞机公司波音777飞机，是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术。这不但使研发周期大大缩短、研发成本显著降低，而且确保了最终产品一次接装成功。火星探测器“探路号”和Caterpiller公司大型设备虚拟仿真是虚拟样机应用的另外两个典型例子。 美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段（进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以

28、前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。 Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为了

29、解决工程机械在高速行 驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 3.ADAMS软件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI（Mechanical Dynamic Inc.）公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系

30、统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输人载荷15。ADAMS是世界上应用广泛且最具有权威性的机械系统动力学仿真分析软件，其全球市场占有率一直保持在50%以上。工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。既可以是在ADMAS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其它CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力、力

31、矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要几星期、甚至几个月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机是如何工作的16。目前，ADAMS已经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据 1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件占据了销售总额近八千万美元的51%份额。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另一方面，又是虚拟样

32、机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。3.1.ADAMS的功能概述3.1.1.ADAMS 的一些主要模块ADAMS软件包括3个最基本的解题程序模块：ADAMS/View（基本环境模块）、ADAMS/Solver（求解器模块）和ADAMS/Post Processor（后处理模块）。另外还有一些附加程序模块，例如：ADAMS/Car（轿车模块）、ADAMS/Flex（柔性分析模块）、ADAMS/Controls（控制模块）、ADAMS/Animation（高速动画模块）等。ADAMS主要模块功能如下：ADAMS/View是以

33、用户为中心的交互式图形环境。它将简单的图标、菜单、鼠标点取操作与交互式图形建模、仿真计算、动画显示等功能集成在一起。ADAMS/View采用Para solid作为实体建模的内核，给用户提供了丰富的零件几何图形库，并且支持布尔运算。同时该模块还提供了完整的约束库和力/力矩库，建模简单迅速。函数编辑器支持FORTRAN/77、FORTRAN/90汇总所有的函数及ADAMS都有的240余种函数。ADAMS/View采用Motif界面（UNIX系统）和Windows界面（NT系统），提供了相对任意参考坐标系定位的功能，方便建模。在ADAMS/View中，用户利用TABLE EDITOR，可像用EXC

34、EL一样方便地编辑模型数据，并将模型参数化；DS（设计研究）、DOE（实验设计）、OPTIMIZE（优化）功能可使用户方便地进行灵敏度分析和优化设计。ADAMS/View有自己的高级编程语言，支持命令行输入命令，有丰富的宏命令以及快捷方便的图标、菜单。ADAMS/View有强大的二次开发功能，用户可方便地修改己有菜单或创建自定义的对话框及菜单。ADAMS/Solver是ADAMS系列产品的核心模块之一，是ADAMS产品系列中处于心脏地位的仿真“发动机”。该软件自动形成机械系统模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。ADAMS/Solver有各种建模和求解选项，以便精确有效地解决

35、各种工程应用问题。ADAMS/Solver可以对刚体和弹性体进行仿真研究。为了进行有限元分析和控制系统研究，除满足用户输出位移、速度、加速度和力等的要求外，还可输出用户自己定义的数据。用户可以通过运动副、运动激励，高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束，同时可求解运动副之间的作用力和反作用力，或施加单点外力。ADAMS/Post Processor是专用的后处理模块，可用来输出高性能的动画，各种数据曲线，该模块还可以进行曲线编辑和数字信号处理等，使用户可以方便、快捷地观察、研究ADAMS的仿真结果。ADAMS/Flex是附加的ADAMS模块，使用户能在模型中加入柔性件，从而得到更真实的仿真

36、结果。ADAMS/Animation是高速动画模块，可以观察、运行仿真的动画结果。ADAMS/Car用于创建、分析汽车模型的模块。ADAMS/Controls附加的ADAMS模块，使用户能在模型中加入复杂的控制系统。3.1.2.ADAMS建模、仿真步骤ADAMS进行建模、仿真和分析，一般要遵循以下步骤。各步骤简述如下:一、建造模型建模包含三部分工作:（1）创建零件有两种途径:一种是通过ADAMS/View的零件库来创建各种简单的运动单元 (零件)；另一种则可用ADAMS/Exchange引入复杂的CAD形体。（2）给模型施加约束和运动。（3）给模型施加各种作用力。二、测试模型定义测量量，对模型

37、进行初步仿真，通过仿真结果检验模型中各个零件、约束及力是否正确。三、校验模型导入实际实验测试数据，与虚拟仿真的结果进行比较。四、模型的细化(Refine)经过初步仿真确定了模型的基本运动后，可以在模型中加入更复杂的单元，如在运动副上加入摩擦，用线性方程或一般方程定义控制系统，加入柔性连接件等等，使模型与真实系统更加近似。五、模型的重新描述(Iterate)为方便设计，可以加入各种参数对模型进行描述，当用户对模型进行了更改，这些参数自动发生变化，使相关改动自动执行。六、优化模型对模型进行参数分析，优化设计。七、定制用户自己的环境用户可以定制菜单、对话框，或利用宏命令使许多重复工作可以自动进行。3

38、.2.ADAMS的建模功能ADAMS/View具有较为强大的实体建模功能，能够对零件质量、质心、惯性距等进行自动计算，并能自动加入材料、颜色等特征信息。对于外形不是很复杂的零件，用ADAMS/View建模非常方便。3.2.1.ADAMS中的零件机械系统模型中的零件具有质量、惯量(inertia properties)并可以运动。在仿真中，所有的力和约束都必须施加在零件上。ADAMS/View中有完整的零件库，用户可以通过零件库创建三种不同类型的零件，包括:（1）刚体几何形体在任何时候都不会发生改变，有质量属性和惯性属性。（2）柔性体具有质量、惯量，且在力的作用下可以发生变形的零件。基本的ADA

39、MS/View可以创建离散的柔性连接件，如截面为方形、圆形或工字形的梁，更多柔性件的创建和使用需要用到ADAMS/Flex模块。（3）质点只具有质量的零件，质点没有外形，也没有惯量特征和角速度。另外，ADAMS/View提供了一个特殊的零件地面(ground)，用户创建模型时，ADAMS/View将自动为用户创建它。“ground”零件没有质量及初始速度，不会增加系统的自由度，全局坐标系就建立在“ground”上。当零件建好后，ADAMS可以自动算出零件的质量(零件的体积乘以零件材料的密度)、质心位置及沿各个轴的惯性矩、惯性积。当然，用户也可以自己指定这些量。3.2.2.在零件上施加约束和运动

40、约束定义了零件(刚体、柔性体、质点)是如何相互连接及零件之间如何相对运动的。ADAMS/View中提供的约束模型库包括以下四种约束(包含运动):（1）基本约束：在相对运动上设置约束，ADAMS/View提供了一下五种基本约束：平行约束。限制2个自由度，约束第一个零件的Z轴始终与第二个零件的Z轴平行，第一个零件只能绕第二个零件的Z轴转动。：垂直约束。限制1个自由度，约束第一个零件的Z轴始终与第二个零件的Z轴垂直。：方向约束。约束两个零件的三个方向始终保持一致。：点面约束。约束第一个零件上的一点始终保持在第二个零件的XY平面上运动。：点线约束。约束第一个零件上的一点始终保持在第二个零件的一条直线上

41、运动。（2）铰链约束：如：固定副、旋转副、平移副、圆柱副、球面副、平面副、恒速度副、万向副（有两种）、螺旋副、齿轮副、关联副。（3）高副约束：曲线曲线约束、点曲线约束。（4）驱动：定义各种相对运动，用以驱动模型。按驱动加在对象类型上分：有点驱动和铰驱动，按驱动特点来分：有平移驱动和旋转驱动。加入约束可以减少系统的自由度数，ADAMS/View中的每种约束都减少不同的自由度数。例如，一个旋转铰链去掉了三个平动自由度和两个转动自由度，使两个零件之间只有沿共同轴线转动的自由度。这种只允许一种运动的约束叫做单自由度关节，ADAMS/View中也提供了二自由度和三自由度的关节，如球铰约束了三个平动自由度

42、，具有三个转动自由度，属于三自由度关节。当进行仿真时，ADAMS的分析器ADAMS/Solver能够自动计算模型系统总的自由度数及是否存在冗余约束。3.2.3.给零件施加作用力ADAMS/View提供多种力的模型，包括各种方向力和力矩，重力，弹簧阻尼器等。定义力时，可以指定力是平动的还是转动的，受力物体，施力物体，力的作用点、大小和方向。对于不同类型的力，指定力的大小也有不同的方法，如弹簧力，可以简单定义弹性系数和阻尼系数，也可以用ADAMS内置的函数表达式定义力。内置函数包括:位移、速度、加速度函数，可使力和运动相关；使力和其他力相关，如库仑摩擦力和正压力相关；数学函数，如呈正弦、余弦规律变

43、化的力；插补曲线函数(Spline function)，力由曲线上的各点数据决定，如马达的力矩速度曲线；碰撞函数(Impact function)，力的作用如同一个压簧阻尼器(compressiononly Springdamper)，当物体间歇接触时，阻尼器或开或关。3.3.ADAMS的分析功能3.3.1.ADAMS中的测量在用ADAMS模拟仿真过程中或过程之后，可以定义一些测量量。模型中几乎所有的特性量都可以被测量，如弹簧提供的力，物体间的距离、夹角等。在定义了这些测量量后，当进行仿真时，ADAMS/View自动显示出测量量的曲线图，使用户可以看到仿真和测量的结果。在ADAMS中，测量分为

44、两类，一类是ADAMS默认的，一类是用户可以自己定义的。（1）预定义的测量(Predefined Measures)预定义的测量量包括:1）Selected Object可以测量模型中关于零件、点、力、约束的各种特征量。2）点到点的测量(Point to Point Measures)可以测量一个点相对另一个点的运动学特征量，如相对速度、相对加速度。3）对姿势的测量(Orientation Measures) 一个标记点相对另外一个标记点的方向，例如旋转系列角和欧拉参数角等。4）角度的测量(Angle Measures)可以测量空间任意三点所组成的角度，也可以测量两个向量间的角度。5）范围的测

45、量(Range Measures)可以对其它测量进行数理统计量，如求最大值、最小值、平均值等。6）Computed：设计输出表达，用于ADAMS/View在仿真过程中或仿真结束后进行仿真分析。（2）用户自定义的测量用户自定义的测量(UserDefined Measure)包括:1）ADAMS/View computed measure是用户定义的设计表达式，表达式中可含有ADAMS/View中的任意变量，ADAMS/View在仿真中或仿真后对其进行求算。2）ADAMS/Solver function measure是用户自己定义的函数表达式(Function expression)，表达式中可

46、以使用用户在ADAMS/Solve中自定义的任何子程序，同时可以使用高效的ADAMS/Solver描述语言。ADAMS/Solver在仿真中进行求算。3.3.2.系统元素和数据元素为便于分析计算，ADAMS中采用了变量设计技术来确定零件的尺寸和形状，零件、约束、力都可以用复杂的变量参数或表达式来描述。例如可以用一些离散点来描述运动的轨迹。系统元素(system element)包括微分方程、线性状态方程、传递函数和状态变量，用于在各种情况下对模型进行数学描述。用户在创建系统单元时可以引用数据单元。数据单元(Nat element)包括数组(array)、曲线(curves)、样条曲线(spli

47、ne)、矩阵(matrixes)和字符串(strings)。创建了数据单元后，用户可以在定义模型对象时使用它们。数据单元自身是不起任何作用的。它们要被用于其他的ADAMS对象或用户自己定义的函数表达式或子程序中。例如，在定义一个力时，力与变形的关系方程就可以用到系数矩阵。又如，可以用样条曲线来描述一个零件的运动。3.3.3.用ADAMS对模型进行仿真模型建立完成后，可以在模型上进行多次仿真来研究在不同操作条件下模型的运行性能。在仿真过程中，ADAMS/View进行以下操作：（1）设置模型中每一对象的初始条件。（2）在给定零件的受力和约束条件下，建立适当的运动方程，用来预测物体的运动。（3）根据

48、用户指定的精度对仿真公式求解，来获得相应零件的相关信息。（4）及时保存仿真结果，以便在进行动画回放、绘制图表和数据处理时检验结果。ADAMS/View在模型仿真和解方程的同时，将计算结果作为动画一帧帧输出。仿真结束后，还可以重复放映动画。ADAMS/View在仿真中还自动创建测量量的曲线图，在默认情况下，曲线图中测量量是随时变化的，用户也可以定义测量量随其他量变化。4.机械手三维模型建立4.1.SW概述Solid Works软件22是美国Solid Works公司开发的三维CAD软件产品，是一套机械设计自动化软件，采用Microsoft Windows图形用户界面，交互界面友好。同时将产品设计

49、置于3D空间环境进行，可以实现机械零件设计、装配体设计、电子产品设计、钣金设计、模具设计等。在机械设计、工业设计、飞行器设计、电子设计、消费品设计、通信器材设计、汽车制造设计等行业中应用广泛。除了进行产品设计外，Solid Works还集成了强大的辅助功能，可以对设计的产品进行三维浏览、装配干涉模拟、碰撞和运动分析、受力分析等。Solid Works软件的特点：（1）第一个在Windows操作系统下开发的CAD软件，采用Windows系列，与Windows系统全兼容。（2）菜单少，使用直观、简单，界面友好。（3）数据转换接口丰富，转换成功率高。Solid Works支持的标准有：IGES、DX

50、F、DWG、SAT（ACSI）、STEP、STL、ASC或二进制的VDAFS（VDA，汽车工业专用）、VRML、Para solid等，且与CATIA、Pro/Engineer、UG、MDT、Inventor等设有专用接口。（4）独特的配置功能。Solid Works允许建立一个零件而有几个不同的配置（Configuration），可大大节约零件设计时间。（5）特征管理器 。特征管理器(Property Manager)是Solid Works的独特技术，在不占用绘图空间的情况下，实现对零件的操纵、拖曳等操作。（6）自上而下的装配体设计技术（top-to-down）。目前只有Solid Wor

51、ks提供自上而下的装配体设计技术，它可使设计者在设计零件、毛坯件时于零件间捕捉设计关系，在装配体内设计新零件、编辑已有零件。（7）比例缩放技术。可以给模具零件在X、Y、Z方向给定不同的收缩而得到模具型腔或型芯。（8）曲面设计工具。用Solid Works，设计者可以创造出非常复杂的曲面。4.2.机械手零件建模在本课题之前，进行了手术机械手结构的设计，其设计结果如图4-1所示。图4-1 手术机械手构型该手术机械手六个自由度。第一关节是为移动关节，起辅助作用，实现手术机械手整体的上下移动；第二、第三关节为两个平行的转动关节，实现手术臂在水平面内的大范围调整；第四五关节为两个平行的转动关节，相当于手

52、臂的肘关节，可以调节末端工具杆的位置和姿态；第六关节为转动关节，实现手术工具杆的自转。下面简单介绍几种典型零件的建模结果。 对基座进行三维建模如图4-2所示：图4-2 基座三维模型 对基座上的支撑体进行三维建模如图4-3所示：图4-3 基座上的支撑体 对连杆进行三维建模如图4-4所示：图4-4 连杆三维模型 对转角的连杆进行三维建模如图4-5所示：图4-5 转角的连杆 由于手术机械手各运动部件的结构较为简单，其他零件的建模过程不再一一敖述。4.3.机械手装配SW环境下，用户需要对零件进行装配，需要建立一个装配体文件，在装配体文件中，依次添加各个零件实现装配。第一个添加的零件为固定零件，即默认相

53、对于“地”不可移动，第一个零件不需要添加约束。对于该减振器，假想下刚件为固定零件。此后依次添加各个零件，需要指定其约束，约束限制了零件相对于固定零件的位置，如果零件六个自由度均被限制，那么零件处于完全约束状态。如果其中有自由度没有被限制，那么零件处于欠约束状态，如果自由度被两个约束同时限制，那么零件处于过约束状态。显然，对于橡胶减振器，其他三个零件自由度均相对于固定零件下刚件被在六个自由度方向限制，因此，装配的结果要求所有零件处于完全约束状态。值得指出的是，SW提供的装配相对于显示生产中的装配是很不一样的，是一种虚拟装配，虚拟装配更关注于零件的相对位置以及位置的限制，而不考虑具体的联接方式。所

54、以，在虚拟装配中，目标是得到和现实装配体空间状态一样的模型，而不是真实模拟现实装配过程。在装配环境下，首先添加基座，基座作为固定零件，不需要添加约束。然后依次添加各个零件，球副通过球面接触建立约束，旋转副通过销的圆柱面与构建的圆柱面接触建立约束关系。当所有零件添加完成后，进行所有必要的约束条件设计，零件处于完全约束状态。装配完成的手术机械手三维模型如图4-6所示。图4-6 手术机械手装配模型在SW环境下装配完成后，需要进行干涉检查。干涉检查的目的是保证零件建模没有偏差并且在装配图模型中不存在干涉的情况。若出现干涉情况，表明零件需要进行再次修改以求干涉情况得到避免。选择【工具】、【干涉检查】，系

55、统出现干涉检查窗口，在窗口中选择模型为装配体模型，点击【计算】，干涉结果即显示在结果显示框中，如果存在干涉，系统将指出干涉的位置和干涉量的大小，经过计算，该减振器模型不存在干涉情况，干涉检查窗口如图4-7所示。图4-7 干涉检查窗口4.4.SW与ADAMS数据传递Solid Works是中端CAD产品中的首选,目前在世界各地拥有30多万用户,它支持多种数据标准,如IGES、DXF、DWG、SAT、STEP、STL、VRML等,可以很容易地将目前市场中几乎所有的机械CAD软件所生成的文件读到Solid Works中。ADAMS与Solid Works共同支持的格式有STEP、IGES、Paras

56、olid几种格式，将Solid Works的模型导入到ADAMS中有两种方法，一种是采用ADAMS与Solid Works的接口模块：MSC.Dynamic Designer for Solid Works用来实现两者间的连接，本文不采用这种连接方式，故不对这个模块进行介绍。二是采用ADAMS与Solid Works共同支持文件格式来实现两者之间的数据转换。IGES(Initial Graphics Exchange Specification)格式是1981年由ANSI公布为美国标准的，以ASCII或二进制存储信息，是产生最早、应用最广的数据标准。但在数据转换中，经常有数据丢失的问题，甚至出现某个特征无法转换而导致失败的情况。STEP格式是ISO于1983年提出的一个产品数据交换标准，它的出现要归功于产品数据交换的许多成熟技术及现有的交换标准的改进。包括应用层、逻辑层、物理层三个层次，为产品在它的生命周期规定了唯一的描述和计算机可处理的信息表达形式，在许多方面弥补了IGES的缺陷，但目前还不十分成熟。EDS公司的Para solid是著名的几何造型核心系统GMS(geometric modeling kernel systems)之一，现以