基于Pro/E和ADAMS的少自由度并联机构运动仿真

    本文研究了少自由度并联机构进行运动仿真的方法，应用Pro/E和ADAMS软件结合来进行运动仿真，并在文章中提供了利用这个方法成功对一个三自由度并联机构进行运动仿真的实例。

    少自由度并联机构是国际上机器人学研究的热点之一，构造出具有良好性能的少自由度并联机器人的众多构型，以便根据应用要求选择不同性能的机构，是并联机器人机构中的一项重要任务，当前众多研究人员的研究方向都集中于构建新型的少自由度并联机构。根据理论研究出来的众多的少自由度并联机构还需要检验其运动的正确性，传统的方法是通过试验样机制造实物来验证，而近年计算机技术的广泛应用提供了新的方法，那就是虚拟样机技术，这包括了三维CAD建模技术和机械系统运动学等相关技术。

    大型的商用动力学仿真软件ADAMS、SIMPACT等集成了最新的多体系统动力学理论成果、各种方便的建模工具、高效的求解器、功能强大的后处理模块以及可视化界面等，用它们来建立机械系统的仿真模型，可以将注意力放在改进模型设计上，而不必关心建立方程、求解方程这些在过去要耗费大量精力的工作，从而大大提高了机械系统仿真的效率。仿真首先要做的是建立少自由度并联机构精确的三维模型，此时用动力学仿真软件就有点力不从心了，特别是对于此类少自由度并联机构，各个运动副的空间几何结构和位置都对整个机构的运动有重大的影响，需要三维建模建立准确的模型。因此，需要借助于三维建模功能很强的CAD软件来建模。

    这里以PTC公司的三维建模软件Pro/E和MDI公司的动力学仿真软件ADAMS相结合建立少自由度并联机构的运动仿真模型。首先在Pro/E中建立机构的三维模型，机构的安装位置为机构运动的初始位置。然后利用两个软件的接口程序Mechanism/Pro生成刚体和基本的运动副，把三维模型导入ADAMS进行进一步的完善，添加驱动和约束，进行运动仿真。在整个过程中，需要对建立模型等前续工作进行不断的修改和完善，才能生成所要求的少自由度并联机构的仿真模型。

    一、少自由度并联机构的提出

    少自由度并联机构新构型的提出有着不同的理论方法，本文中采用的为利用螺旋理论来分析新型少自由度并联机构。利用运动螺旋与力螺旋的对偶关系，以及运动与约束、运动螺旋与反螺旋的对应关系，建立复杂少自由度并联机器人机构类型综合的数学模型。因为并联机器人机构是由支链、动平台和静平台组成，其结构的设计关键在于其各支链的结构形式，各支链的设计是机构设计的重点，按机构对各分支约束条件的要求，设计出有能够符合要求的所有支链结构形式，进而在考虑避免奇异位形的基础上将所需的分支与平台联接成为所要求的少自由度并联机器人机构。

    在少自由度并联机构中，三自由度移动并联机构有着广泛的用途。在很多工业应用中，三个方向的移动就已经满足要求，而使用传统的六自由度机构增加了机构的复杂性和控制的难度，因此直接应用三自由度移动并联机构非常合适。此处利用螺旋理论提出一种纯移动三自由度并联机构，通过此机构来说明利用Pro/E和ADAMS完成运动仿真的过程。如图1所示，此机器人支链为三条对称的RPC支链，通过螺旋理论和空间几何分析可得此并联机构动平台应具有三个纯移动自由度。

图1 三支链并联机构模型

    二、三维建模

    在Pro /E中建立此三支链并联机构的三维模型。首先创建不同的零件模型，分别为静平台、动平台以及各个连接支链。此时注意建立的模型的单位设置应该为“MKS”（Meter Kilogram Second），同样在创建装配图时也要注意这个问题，这是因为把实体模型转化到ADAMS软件中时，只能辨认这种单位设置，设置成其他单位时会出错。

    分别创建完各个零件后，就需要把各个零件组装成装配图，建立装配图时需考虑到各个构件运动的初始位置，最好是在最开始的装配时就设置成构件运动的初始位置，减少以后调整的麻烦。
装配完成后，就是利用Pro/E和ADAMS软件的接口程序Mechanism/Pro来生成ADAMS可以读取的文件，这是这两个软件能无缝连接的关键所在。安装好Mechanism/Pro后，在Pro/E程序中，会出现MECH/Pro的级联菜单，利用此菜单，可以指定机构的各个刚体，建立刚体之间的基本约束和一些参考的坐标，图2即为建立了基本约束的实体模型。建立完成后，利用该接口程序可以直接把实体模型存成可以在ADAMS读取的文件格式。

图2 创建基本约束的三维模型

    三、运动仿真

    接下来就是在ADAMS程序中进行运动仿真。在ADAMS中导入利用Mechanism/Pro创建的ADAMS文件，其中基本的约束都已经创建完成。在ADAMS中需要进一步完善约束类型，例如在ADAMS中地面也作为一个刚体存在，因此要创建静平台和地面之间的固定连接。

    然后设定驱的类型以及位置，在此机构中，分别在靠近静平台的转动副处添加三个转动作为驱动力。至此，就可以利用ADAMS来进行运动的模拟了，通过不断的调整驱动的方向和大小，可以得到理想的运动状态，图3为动平台运动的几个不同位置。

    利用ADAMS中的仿真结果后处理，可以创建仿真结果的数据曲线。如图4所示，左图中三条曲线分别代表动平台三个方向的移动运动的线速度，可以看出三条曲线都具有很好的二次性，线速度的加速度非常稳定，具有很好的性能。右图三条曲线分别为动平台三个方向转动的角速度，这三天曲线都为零，也就是说转动角速度在整个运动过程中都为零。通过分析可知该动平台只具有三个方向的移动，而角速度都为零，所以通过运动仿真验证了该并联机构动平台只具有移动自由度，而不具有转动自由度。

图3 动平台运动状态

图4 运动仿真结果

    四、结论

    本文通过实例说明了利用三维建模软件Pro/E以及动力学仿真软件ADAMS的无缝连接，可以对少自由度并联机构进行运动仿真，其结果验证了理论上提出的少自由度并联机构新构型的正确性。利用这两个功能强大的软件，还可以对机构进行尺度方面的设计以及进行动力学仿真等其他方面的仿真,有待进一步的研究和尝试。

    这种方法大大提高了仿真的效率，是虚拟样机技术在少自由度并联机构研究中的崭新应用，大大加快了新型少自由度并联机构实际应用的速度，也促进了少自由度并联机构研究理论的飞速发展。