基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真精品.docx

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基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真精品

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。

建立仿真模型。

对本文所使用的机器人的结构进行详细了解，并在SolidWorks软件中建立出机器人的各个零件的三维模型，并在SolidWorks环境中进行了装配，检查了装配结果。

然后查阅资料，了解SolidWorks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ADAMSSOLIDWORKS

DigitalDual-LongitudinalModeLaser

ThermalFrequencyStabilizationCircuitDesign

【Abstract】:

First,thebackgroundknowledgeforlearning,includingbasicknowledgeofsurgicalrobottounderstandclearlythesurgicalrobottobe Withtheenvironment,domesticandinternationalresearchtrends,andthesurgicalrobotmainlyrelatedtokeytechnologies. Learningtoknowaboutthevirtualprototype Knowledge,understandingtheadvantagesanddisadvantagesofvarioussimulationsoftware,andultimatelydeterminetheuseofADAMSsimulationanalysis. LearningsimulationsoftwareADAMS. ADAMSsoftwarethroughhands-onandalotofinstancesofpractice,theuseofsoftwareproficiency,andaccesstorelevantinformation, Explicitlyusethesoftwaretoachievetheultimategoal,andidentifymethods. Buildsimulationmodels. Robotusedinthisarticletheknot Detailedunderstandingofstructure,andSolidWorkssoftwaretocreatetherobotinvariouspartsofthethree-dimensionalmodel,andintheSolid Worksenvironmentwasassembledtochecktheassemblyresults. Andaccesstoinformation,understandingbetweenSolidWorksandADAMS, Howthedataistransmitted,andtodeterminethetransmissionmethodusedinthisarticle. Processingmodelinthesimulationsoftware. Themodelintosimulation Faxsoftwareandtocarryouttheappropriatetreatment,wererevisedquality,addconstraints,andthencreatethedrivefunctionsandotheroperations, Finally,simulationmodelvalidation. Readyforsimulation. Simulationrunandthedatameasurementandanalysis. Inthesoftwaresimulationoftherobot True,andmeasureitsmovementcharacteristiccurve,andcurveanalysis. Conductedathesiswriting. 

【Keywords】:

robotsimulationADAMSSOLIDWORKS

1.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（VirtualPrototypingTechnology）是指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SolidWorks软件中建立出机器人的各个零件的三维模型，并在SolidWorks环境中进行了装配，检查了装配结果。

然后查阅资料，了解SolidWorks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。

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（DesignForAssembly–面向装配的设计）、DFM（DesignForManufacture–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，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RobertR.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（DigitalMock-up）、功能虚拟样机（FunctionalVirtualPrototyping）和虚拟工厂仿真（VirtualFactorySimulation）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-DigitalMock-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–FunctionalVirtualPrototyping）解决方案充分利用三维零件的实体模型和零件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–VirtualFactorySimulation）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（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70－80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1995－1999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（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem）软件是美国MDI（MechanicalDynamicInc.）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/PostProcessor（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Parasolid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TABLEEDITOR，可像用EXCEL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/PostProcessor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结果。

AD