SCARA机器人运动学仿真分析 中

在几何模型的导入完成之后，为了便于对模型进行运动学仿真，需要对虚拟样机的模型尽可能的简化。由于构件越多，所需要添加的约束就越多，为了进一步简化这个过程，避免由过多约束可能带来的错误，还应尽量减少模型中的构件数量。基于该原则建立本模型时，仅保留模型中的基本部件，假设各构件质量分布均匀，且都为刚体，省略了模型中的柔性部件，即同步带、齿轮和轴承等传动结构，并对各电机位置进行了一定的调整。值得注意的是，无论如何简化与调整，首要的前提是要保证虚拟样机仿真系统的完整性，尽量不改变各构件之间的相对位置与运动关系，不能够影响到模型的仿真运动。

由导入的模型可以清晰的看出，该SCARA机器人主要是由机座、第一关节、第二关节、第三关节和第四关节及抓手几个部分构成，其中联接各运动部分的机构称为关节，按照关节的运动方式不同，关节可分为转动关节和移动关节，转动关节由驱动结构、回转轴和轴承组成，可实现两个部件之间的相对回旋运动，移动关节由直线运动机构和在整个运动范围内起直线导向作用的直线导轨部分组成，可实现两个部件之间的相对直线运动。该机器人中大臂与机座之间、小臂与大臂之间分别通过旋转关节连接，小臂与腕部之间通过移动关节连接，它们共同决定了机械手末端在空间中的位置，机械手腕部则由一个旋转关节和一个移动关节连接，它们共同决定了机械手末端在空间中的姿态。

约束与驱动的添加

为了仿真SCARA机器人三维模型的真实运动情况，需要充分参考实际情况，在基本模型上施加相应的运动副，同时为了保证系统能够正常的运动，还需要在模型上添加与自由度数目相同的驱动，这样才能满足约束方程要求的运动规律，从而实现预设的仿真任务。

（1）约束的添加

约束的作用是对系统中的一个或多个部件的运动做出限制，从而将两个构建连接起来，在本文设计建立的SCARA,机器人的三维模型中，主要包括转动副、移动副、螺旋副和固定副四种类型的运动副，各运动副的说明如表4.1所示[(281，添加约束过程中最重要的是对各构件之间的相对关系有清晰地分析，并根据这些运动关系添加相应的约束。

该模型中共设置运动副11个，其中转动副6个，分别设置在机器人电机与大臂、小臂、导向杆、关节轴和抓手相连接的旋转关节上;移动副3个，分别设置于机器人Z轴的导轨升降机构和抓手末端的张合机构上;螺旋副2个，分别设置在导向杆的移动和抓手末端开合关节上，用于将电机的转动转化成为机构的直线运动;其余约束均设置为相对固定，用于连接在整个运动过程中不产生相对运动的构件。

（2）驱动的添加

由于运动副种类有限，仅能对机构的部分自由度进行约束，若希望约束更多的自由度，则需要通过在运动副基础上添加驱动实现，使机构按照指定的运动规律运动。ADAMS/view中提供约束驱动和点驱动两种类型的驱动方式，其中约束驱动又分为移动方式和转动方式两种，移动方式适用于移动副(Translation或圆柱副(Cylindrical )，移去一个移动的自由度，而转动方式适用于回转副(Revolute )或圆柱副(Cylindrical )，移去一个转动的自由度。本设计模型中添加的驱动包括移动驱动和旋转驱动，可分别实现第一个构件相对于第二个构件沿指定轴的移动和旋转，值得注意的是，旋转驱动添加在旋转关节上，本设计中有5个驱动电机，5个转动副，即可添加5个旋转驱动。

本设计中旋转驱动采用的驱动函数为STEP函数，STEP函数是一个阶跃性的过渡函数，可以发挥连接过渡的功用，其基本表达式为:

式中x为时间的自变量或变量函数，h为自变量时间对应的位移函数值。设x为时间((t)，则x0和x1分别为STEP函数的初始时刻和结束时刻，而h0和h1分别为x0和x1时刻对应的函数值，该函数值可通过位移或者角度两种方式进行表示，可以是常数、设计变量或其他函数表达式，相应的STEP函数形式可记为: