本文研究了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的方法，應(yīng)用Pro/E和ADAMS軟件結(jié)合來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，并在文章中提供了利用這個(gè)方法成功對(duì)一個(gè)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)例。

    少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)是國(guó)際上機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一，構(gòu)造出具有良好性能的少自由度并聯(lián)機(jī)器人的眾多構(gòu)型，以便根據(jù)應(yīng)用要求選擇不同性能的機(jī)構(gòu)，是并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中的一項(xiàng)重要任務(wù)，當(dāng)前眾多研究人員的研究方向都集中于構(gòu)建新型的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。根據(jù)理論研究出來(lái)的眾多的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)還需要檢驗(yàn)其運(yùn)動(dòng)的正確性，傳統(tǒng)的方法是通過(guò)試驗(yàn)樣機(jī)制造實(shí)物來(lái)驗(yàn)證，而近年計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的方法，那就是虛擬樣機(jī)技術(shù)，這包括了三維CAD建模技術(shù)和機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)等相關(guān)技術(shù)。

    大型的商用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS、SIMPACT等集成了最新的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論成果、各種方便的建模工具、高效的求解器、功能強(qiáng)大的后處理模塊以及可視化界面等，用它們來(lái)建立機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型，可以將注意力放在改進(jìn)模型設(shè)計(jì)上，而不必關(guān)心建立方程、求解方程這些在過(guò)去要耗費(fèi)大量精力的工作，從而大大提高了機(jī)械系統(tǒng)仿真的效率。仿真首先要做的是建立少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)精確的三維模型，此時(shí)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件就有點(diǎn)力不從心了，特別是對(duì)于此類少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)副的空間幾何結(jié)構(gòu)和位置都對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)有重大的影響，需要三維建模建立準(zhǔn)確的模型。因此，需要借助于三維建模功能很強(qiáng)的CAD軟件來(lái)建模。

    這里以PTC公司的三維建模軟件Pro/E和MDI公司的動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS相結(jié)合建立少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真模型。首先在Pro/E中建立機(jī)構(gòu)的三維模型，機(jī)構(gòu)的安裝位置為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的初始位置。然后利用兩個(gè)軟件的接口程序Mechanism/Pro生成剛體和基本的運(yùn)動(dòng)副，把三維模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行進(jìn)一步的完善，添加驅(qū)動(dòng)和約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在整個(gè)過(guò)程中，需要對(duì)建立模型等前續(xù)工作進(jìn)行不斷的修改和完善，才能生成所要求的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的仿真模型。

    一、少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的提出

    少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)新構(gòu)型的提出有著不同的理論方法，本文中采用的為利用螺旋理論來(lái)分析新型少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。利用運(yùn)動(dòng)螺旋與力螺旋的對(duì)偶關(guān)系，以及運(yùn)動(dòng)與約束、運(yùn)動(dòng)螺旋與反螺旋的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立復(fù)雜少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)類型綜合的數(shù)學(xué)模型。因?yàn)椴⒙?lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是由支鏈、動(dòng)平臺(tái)和靜平臺(tái)組成，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于其各支鏈的結(jié)構(gòu)形式，各支鏈的設(shè)計(jì)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，按機(jī)構(gòu)對(duì)各分支約束條件的要求，設(shè)計(jì)出有能夠符合要求的所有支鏈結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)而在考慮避免奇異位形的基礎(chǔ)上將所需的分支與平臺(tái)聯(lián)接成為所要求的少自由度并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。

    在少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)中，三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)有著廣泛的用途。在很多工業(yè)應(yīng)用中，三個(gè)方向的移動(dòng)就已經(jīng)滿足要求，而使用傳統(tǒng)的六自由度機(jī)構(gòu)增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和控制的難度，因此直接應(yīng)用三自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)非常合適。此處利用螺旋理論提出一種純移動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過(guò)此機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)明利用Pro/E和ADAMS完成運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程。如圖1所示，此機(jī)器人支鏈為三條對(duì)稱的RPC支鏈，通過(guò)螺旋理論和空間幾何分析可得此并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)具有三個(gè)純移動(dòng)自由度。

圖1 三支鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)模型

    二、三維建模

    在Pro /E中建立此三支鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)的三維模型。首先創(chuàng)建不同的零件模型，分別為靜平臺(tái)、動(dòng)平臺(tái)以及各個(gè)連接支鏈。此時(shí)注意建立的模型的單位設(shè)置應(yīng)該為“MKS”（Meter Kilogram Second），同樣在創(chuàng)建裝配圖時(shí)也要注意這個(gè)問(wèn)題，這是因?yàn)榘褜?shí)體模型轉(zhuǎn)化到ADAMS軟件中時(shí)，只能辨認(rèn)這種單位設(shè)置，設(shè)置成其他單位時(shí)會(huì)出錯(cuò)。

    分別創(chuàng)建完各個(gè)零件后，就需要把各個(gè)零件組裝成裝配圖，建立裝配圖時(shí)需考慮到各個(gè)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的初始位置，最好是在最開(kāi)始的裝配時(shí)就設(shè)置成構(gòu)件運(yùn)動(dòng)的初始位置，減少以后調(diào)整的麻煩。
裝配完成后，就是利用Pro/E和ADAMS軟件的接口程序Mechanism/Pro來(lái)生成ADAMS可以讀取的文件，這是這兩個(gè)軟件能無(wú)縫連接的關(guān)鍵所在。安裝好Mechanism/Pro后，在Pro/E程序中，會(huì)出現(xiàn)MECH/Pro的級(jí)聯(lián)菜單，利用此菜單，可以指定機(jī)構(gòu)的各個(gè)剛體，建立剛體之間的基本約束和一些參考的坐標(biāo)，圖2即為建立了基本約束的實(shí)體模型。建立完成后，利用該接口程序可以直接把實(shí)體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

圖2 創(chuàng)建基本約束的三維模型

    三、運(yùn)動(dòng)仿真

    接下來(lái)就是在ADAMS程序中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在ADAMS中導(dǎo)入利用Mechanism/Pro創(chuàng)建的ADAMS文件，其中基本的約束都已經(jīng)創(chuàng)建完成。在ADAMS中需要進(jìn)一步完善約束類型，例如在ADAMS中地面也作為一個(gè)剛體存在，因此要?jiǎng)?chuàng)建靜平臺(tái)和地面之間的固定連接。

    然后設(shè)定驅(qū)的類型以及位置，在此機(jī)構(gòu)中，分別在靠近靜平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副處添加三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)力。至此，就可以利用ADAMS來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的模擬了，通過(guò)不斷的調(diào)整驅(qū)動(dòng)的方向和大小，可以得到理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，圖3為動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)不同位置。

    利用ADAMS中的仿真結(jié)果后處理，可以創(chuàng)建仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線。如圖4所示，左圖中三條曲線分別代表動(dòng)平臺(tái)三個(gè)方向的移動(dòng)運(yùn)動(dòng)的線速度，可以看出三條曲線都具有很好的二次性，線速度的加速度非常穩(wěn)定，具有很好的性能。右圖三條曲線分別為動(dòng)平臺(tái)三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，這三天曲線都為零，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都為零。通過(guò)分析可知該動(dòng)平臺(tái)只具有三個(gè)方向的移動(dòng)，而角速度都為零，所以通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真驗(yàn)證了該并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)只具有移動(dòng)自由度，而不具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖3 動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖4 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果

    四、結(jié)論

    本文通過(guò)實(shí)例說(shuō)明了利用三維建模軟件Pro/E以及動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的無(wú)縫連接，可以對(duì)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，其結(jié)果驗(yàn)證了理論上提出的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)新構(gòu)型的正確性。利用這兩個(gè)功能強(qiáng)大的軟件，還可以對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行尺度方面的設(shè)計(jì)以及進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真等其他方面的仿真,有待進(jìn)一步的研究和嘗試。

    這種方法大大提高了仿真的效率，是虛擬樣機(jī)技術(shù)在少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究中的嶄新應(yīng)用，大大加快了新型少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用的速度，也促進(jìn)了少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究理論的飛速發(fā)展。