本文研究了少自由度并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行運動仿真的方法，應(yīng)用Pro/E和ADAMS軟件結(jié)合來進(jìn)行運動仿真，并在文章中提供了利用這個方法成功對一個三自由度并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行運動仿真的實例。

    少自由度并聯(lián)機構(gòu)是國際上機器人學(xué)研究的熱點之一，構(gòu)造出具有良好性能的少自由度并聯(lián)機器人的眾多構(gòu)型，以便根據(jù)應(yīng)用要求選擇不同性能的機構(gòu)，是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一項重要任務(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)機構(gòu)。根據(jù)理論研究出來的眾多的少自由度并聯(lián)機構(gòu)還需要檢驗其運動的正確性，傳統(tǒng)的方法是通過試驗樣機制造實物來驗證，而近年計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的方法，那就是虛擬樣機技術(shù)，這包括了三維CAD建模技術(shù)和機械系統(tǒng)運動學(xué)等相關(guān)技術(shù)。

    大型的商用動力學(xué)仿真軟件ADAMS、SIMPACT等集成了最新的多體系統(tǒng)動力學(xué)理論成果、各種方便的建模工具、高效的求解器、功能強大的后處理模塊以及可視化界面等，用它們來建立機械系統(tǒng)的仿真模型，可以將注意力放在改進(jìn)模型設(shè)計上，而不必關(guān)心建立方程、求解方程這些在過去要耗費大量精力的工作，從而大大提高了機械系統(tǒng)仿真的效率。仿真首先要做的是建立少自由度并聯(lián)機構(gòu)精確的三維模型，此時用動力學(xué)仿真軟件就有點力不從心了，特別是對于此類少自由度并聯(lián)機構(gòu)，各個運動副的空間幾何結(jié)構(gòu)和位置都對整個機構(gòu)的運動有重大的影響，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的CAD軟件來建模。

    這里以PTC公司的三維建模軟件Pro/E和MDI公司的動力學(xué)仿真軟件ADAMS相結(jié)合建立少自由度并聯(lián)機構(gòu)的運動仿真模型。首先在Pro/E中建立機構(gòu)的三維模型，機構(gòu)的安裝位置為機構(gòu)運動的初始位置。然后利用兩個軟件的接口程序Mechanism/Pro生成剛體和基本的運動副，把三維模型導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行進(jìn)一步的完善，添加驅(qū)動和約束，進(jìn)行運動仿真。在整個過程中，需要對建立模型等前續(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)機構(gòu)的仿真模型。

    一、少自由度并聯(lián)機構(gòu)的提出

    少自由度并聯(lián)機構(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分析新型少自由度并聯(lián)機構(gòu)。利用運動螺旋與力螺旋的對偶關(guān)系，以及運動與約束、運動螺旋與反螺旋的對應(yīng)關(guān)系，建立復(fù)雜少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)類型綜合的數(shù)學(xué)模型。因為并聯(lián)機器人機構(gòu)是由支鏈、動平臺和靜平臺組成，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵在于其各支鏈的結(jié)構(gòu)形式，各支鏈的設(shè)計是機構(gòu)設(shè)計的重點，按機構(gòu)對各分支約束條件的要求，設(shè)計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聯(lián)接成為所要求的少自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)。

    在少自由度并聯(lián)機構(gòu)中，三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)有著廣泛的用途。在很多工業(yè)應(yīng)用中，三個方向的移動就已經(jīng)滿足要求，而使用傳統(tǒng)的六自由度機構(gòu)增加了機構(gòu)的復(fù)雜性和控制的難度，因此直接應(yīng)用三自由度移動并聯(lián)機構(gòu)非常合適。此處利用螺旋理論提出一種純移動三自由度并聯(lián)機構(gòu)，通過此機構(gòu)來說明利用Pro/E和ADAMS完成運動仿真的過程。如圖1所示，此機器人支鏈為三條對稱的RPC支鏈，通過螺旋理論和空間幾何分析可得此并聯(lián)機構(gòu)動平臺應(yīng)具有三個純移動自由度。

圖1 三支鏈并聯(lián)機構(gòu)模型

    二、三維建模

    在Pro /E中建立此三支鏈并聯(lián)機構(gòu)的三維模型。首先創(chuàng)建不同的零件模型，分別為靜平臺、動平臺以及各個連接支鏈。此時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)建裝配圖時也要注意這個問題，這是因為把實體模型轉(zhuǎn)化到ADAMS軟件中時，只能辨認(rèn)這種單位設(shè)置，設(shè)置成其他單位時會出錯。

    分別創(chuàng)建完各個零件后，就需要把各個零件組裝成裝配圖，建立裝配圖時需考慮到各個構(gòu)件運動的初始位置，最好是在最開始的裝配時就設(shè)置成構(gòu)件運動的初始位置，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來生成ADAMS可以讀取的文件，這是這兩個軟件能無縫連接的關(guān)鍵所在。安裝好Mechanism/Pro后，在Pro/E程序中，會出現(xiàn)MECH/Pro的級聯(lián)菜單，利用此菜單，可以指定機構(gòu)的各個剛體，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體模型。建立完成后，利用該接口程序可以直接把實體模型存成可以在ADAMS讀取的文件格式。

圖2 創(chuàng)建基本約束的三維模型

    三、運動仿真

    接下來就是在ADAMS程序中進(jìn)行運動仿真。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中地面也作為一個剛體存在，因此要創(chuàng)建靜平臺和地面之間的固定連接。

    然后設(shè)定驅(qū)的類型以及位置，在此機構(gòu)中，分別在靠近靜平臺的轉(zhuǎn)動副處添加三個轉(zhuǎn)動作為驅(qū)動力。至此，就可以利用ADAMS來進(jìn)行運動的模擬了，通過不斷的調(diào)整驅(qū)動的方向和大小，可以得到理想的運動狀態(tài)，圖3為動平臺運動的幾個不同位置。

    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平臺三個方向的移動運動的線速度，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平臺三個方向轉(zhuǎn)動的角速度，這三天曲線都為零，也就是說轉(zhuǎn)動角速度在整個運動過程中都為零。通過分析可知該動平臺只具有三個方向的移動，而角速度都為零，所以通過運動仿真驗證了該并聯(lián)機構(gòu)動平臺只具有移動自由度，而不具有轉(zhuǎn)動自由度。

圖3 動平臺運動狀態(tài)

圖4 運動仿真結(jié)果

    四、結(jié)論

    本文通過實例說明了利用三維建模軟件Pro/E以及動力學(xué)仿真軟件ADAMS的無縫連接，可以對少自由度并聯(lián)機構(gòu)進(jìn)行運動仿真，其結(jié)果驗證了理論上提出的少自由度并聯(lián)機構(gòu)新構(gòu)型的正確性。利用這兩個功能強大的軟件，還可以對機構(gòu)進(jìn)行尺度方面的設(shè)計以及進(jìn)行動力學(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，是虛擬樣機技術(shù)在少自由度并聯(lián)機構(gòu)研究中的嶄新應(yīng)用，大大加快了新型少自由度并聯(lián)機構(gòu)實際應(yīng)用的速度，也促進(jìn)了少自由度并聯(lián)機構(gòu)研究理論的飛速發(fā)展。