2024年4月6日发(作者：开映雪)
２０１１年９月
第３９卷第１７期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｓｅｐ．２０１１
ＶｏｌＩ ３９ Ｎｏ．１７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１１．１７．０２９
基于Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ的搬运机器人动态仿真研究
张学军，姜哲珠
（东北电力大学机械工程学院，吉林吉林１３２０１２）
摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ建立四自由度搬运机器人的三维实体模型，在ＡＤＡＭＳ中对其工作过程进行动态仿真，模拟其工作
过程的运动轨迹，并讨论在４种不同驱动方式下搬运机器人主要构件的速度、加速度以及关节处的力在各坐标轴上的分量
的变化情况。仿真结果表明：在不同的驱动方式下，速度、加速度以及关节处的受力情况均不相同，为进一步研究搬运机
器人的运动学和动力学问题以及关节机器人的本体和控制器设计提供了基础。
关键词：优化；动态仿真；ＡＤＡＭＳ软件；搬运机器人
中图分类号：ＴＭ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１１）１７—０９５—３
Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｏ／Ｅ ａｎｄ ＡＤＡＭＳ
ＺＨＡＮＧ Ｘｕｅｊｕｎ．ＪＩＡＮＧ Ｚｈｅｚｈｕ
（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｔｒｔｉｎｓｆｅｒ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｆｏｕｒ ＤＯＦ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｐｒｏ／Ｅ．Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡＤＡＭＳ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
０ｆ ｉｔｓ ｍａｉｎ ｂｌｏｃｋｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｕｎｄｅｒ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｗａｙｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｃｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｏｏ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｗａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｏｏ．Ｉｔ
ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｅ ｆｏｒ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｉｔ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ．
Ｋｅｙｗｏｒ￣：Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡＤＡＭＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ；Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒｏｂｏｔ
机器人是新兴的跨学科综合性高新技术，是力
学、机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、电
液气驱动技术、计算机、人工智能、仿生学等多个学
科知识的综合与交叉。随着科技术的发展和社会的进
步，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、国防、
速度、加速度及受力进行了分析，提出了较为合理的
驱动方式。
１ 利用Ｐｒｏ／Ｅ建立搬运机器人模型
文中模拟一个四自由度的圆柱式搬运机器人。首
先对模拟对象进行抽象建模，模型共由５个零件组
成，分别是滑块、前臂、手爪（两个）和底座；其
次利用Ｐｒｏ／Ｅ构建三维模型。各零件的建模过程都相
似，需要经过草绘、确定尺寸、拉伸、剪切、旋转和
倒角等过程完成设计，建立坐标系。结果如图１。
科技、建设、生活等各个领域，具有广阔的研究开发
和应用前景…。
仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相
关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物
理设备为工具，采用系统模型对真实系统进行实验
研究的一门综合性技术 。计算机仿真就是在研
究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模
拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以
是设想中的系统。通过计算机仿真可以代替已有的
物理样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机
现场实验的风险。由于机器人结构和运动的复杂
性，以及成本较高的特点，目前利用计算机通过仿
真方法研究机器人的结构与运动已越来越多地被采
用 一引。
图１ 搬运机器人的三维模型
作者首先利用Ｐｒｏ／Ｅ构建搬运机器人的三维模
型，然后利用ＡＤＡＭＳ对其在不同驱动模式下的运动
收稿日期：２０１０—０８—２５
２ ＡＤＡＭＳ仿真
用Ｐｒｏ／Ｅ建立机器人的三维实体模型后，首先要
基金项目：８６３计划资助项目（２００６ＡＡ０４Ｚ３０５）
作者简介：张学军，男，博士，教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｕｅｊｕｎ１９６４＠ｈｏｔｍａｉｏ．ｃｏｍ。
・
９６・ 机床与液压 第３９卷
导入到ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中，并需要对模型进行一系列
的编辑定义，如更改构件名称、指定构件材料、修改
３仿真结果与分析
限于篇幅，文中仅给出了在４种不同驱动方式
下，滑块在Ｙ轴上的速度、加速度及在 轴上的受力
仿真结果，省略了其他仿真结果。仿真结果如图３—
５。图３为４种不同驱动方式下滑块在Ｙ轴上的速度
几何元素的颜色、添加约束和驱动，之后进行机器人
的动态仿真。
２．１ 添加约束和驱动
ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ提供的运动副有十几种，文中只用
到了固定副、滑移副和圆柱副，驱动用到了滑移驱动
分量仿真结果。图４为４种不同驱动方式下滑块在Ｙ
轴上的加速度分量仿真结果。图５为４种不同驱动方
式下前臂与滑块间作用力在 轴上的分量仿真结果。 和旋转驱动。
各构件之间的约束和驱动定义如下：
（１）前臂与滑块之间是滑移副，在滑移副上添
加的是滑移驱动。
（２）手爪与前臂之间是滑移副，添加的是滑移
驱动。
（３）滑块与底座之间是圆柱副，可以添加滑移
驱动和旋转驱动。
（４）底座与地板之间是固定副， 没有驱动。
２．２驱动方式的选择与工作过程
各约束副上的驱动要根据运动的设计情况编写驱
动函数。作者研究了４种驱动方式下机器人各部件的
速度、加速度、角速度、角加速度及各节点的受力情
况。４种驱动方式分别是：
九¨¨ 一
方式一，用ＳＴＥＰ函数按位移规律进行驱动；
方式二，用ＳＴＥＰ函数按速度规律（有速度突
变）进行驱动；
＜二＝ 一
方式三，用ＳＴＥＰ函数按速度规律（无速度突
变）进行驱动；
方式四，用ＩＦ函数按速度规律进行驱动。
ＳＴＥＰ函数作为运行函数时，是一个由三次多项
＾¨¨¨ ｆ－
式构造成的阶跃函数。ＳＴＥＰ函数与ＩＦ函数按速度
规律进行驱动是有区别的。ＳＴＥＰ函数编辑的速度
曲线并不是一次函数，而ＩＦ函数编辑的是一次函
数。
ｎ 一
以下为说明问题方便，四种不同驱动方式简称
为：方式一；方式二；方式三；方式四。
研究中假定，搬运机器人以其机座为回转中心搬
运货物，如图２。图２是利用ＡＤＡＭＳ对搬运机器人
工作过程进行运动仿真时的起点与终点位。
（ａ）初始位置 （ｂ）工作完成位置
图２搬运机器人运动仿真时的起点与终点位
，
昌
昌
０．０ ３ ｏ．０ ６０．０ ９ｏ．０ １２０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
Ａｎａｌｙｓｉ￣Ｌａｓｔ
Ｒｔｍ ｔ／ｓ ２０Ｇ９￣０６－１９ ｍ５ ２２ Ａ￣Ｊｙｓｌｓ：Ｌ￣ＬＲｕｎ ｔ／ｓ ２￣０９－０６－０９２２：２＆３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
０．０ ３０．
一
０ ６０．０ ９０．
一
０ １２０．０ １５０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２０￣－０ｉｆ－０９ ２１：１４：１３
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｉｎｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－０￣－１２０６：４９：４８
（ｃ）方式三 （ｄ）方式四
１５０．０１
几
一 一
１００．Ｏ１
堇
ｍｏ
一
．
５
０兰
．
０
Ｊ
１
－５０
ｏ｛
．
’
堇
一ｓ
－
ｏ
１００
一 一
１００．０
Ｌ—— ——— —————一．１５０
ｉ．
．
５
．
．
０。
０
ｒ｛１
Ｌ
——
］
———』—
１
．
——一
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
ＡｎａｌＹ。‘。 ：Ｕ 皿ｆ，ｓ 帅 ‘。２０：５６：２２
ＡｎＲｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２呻 ０６・０９２０：２５：３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
ｎ 一
昌
昌
吕
昌
毽
一
－
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｎｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９．０．６－０９２１：１
ＡｒｍｌｙＣｌｓ：Ｌｕｔ
４：１３ Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－０６－１２０６：４９：４８
（ｃ）方式三
（ｄ）方式四
图４ ４种不同驱动方式下滑块在Ｙ轴上的加速度分量
３．１ 滑块在Ｙ轴上的速度、加速度分量
在图３中，除了驱动方式二有速度突变外，其余
方式速度过渡都比较平稳。在图４中，驱动方式一加
速度有突变，并且波动频繁；驱动方式二由于有速度
突变，所以加速度也有突变，而且值很大；驱动方式
三加速度没有突变，过渡非常好；驱动方式四速度虽
第ｌ７期 张学军等：基于Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ的搬运机器人动态仿真研究 ‘９７－
然有突变，但突变值很小。另外，前两组花费的时间 也比较小， 与在 轴上的分量相似。
是１３０ Ｓ，后两组的是１６５ Ｓ，因此驱动方式三和驱动
从整体看，前臂与滑块关节处的力在Ｙ轴上的
方式四的工作效率会低些。
分量明显大于在 和ｚ轴上的分量，说明前臂与滑
块之间主要存在的是挤压作用力，而且从峰值出现
的时间来看，在滑块旋转快要结束时的力是最大
的，与滑块与底座关节处最大力的出现时刻基本吻
合，再次说明此时是系统关节受力最大的时刻。若
机械手各零件能满足此时的强度及刚度要求，定能
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
０．０ ３０．０ ６ｏ．０ ９０．０ １２０．０
稳定地工作。
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ Ｒｅ．ｔｌｓ ２ｏ。 。 ０”： ：
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｅｓｔ
＿
Ｒｕ．ｔｌｓ ２００ ６ ２２：２８：３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
４结论
ｌＯｍ
文中主要针对四自由度机械手进行动态模拟仿
５０．
真。首先是利用Ｐｒ０／Ｅ建立机械手的三维实体模型，
匿 也
然后再导入到ＡＤＡＭＳ中，利用ＡＤＡＭＳ对其进行动
态仿真。通过比较文中的４种不同驱动方式，可以得
－
５ｎ
出如下结论：
－
１００．
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
（１）采用高次方程来规划机械手的运动轨迹，
ＡａＪｌｙｆｌｌ：１．ｍｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－６６－１１ １５：１４：４５
Ａｎａｌｙ，ｂ：Ｌａｓｔ Ｒｕｎ ｔｌｓ ２０￣３－０６－１１ ２２：４４：３９
（Ｃ）方式三
（ｄ）方式四
可以保证机械手在运动过程中主要构件及关节随时间
的变化，速度以及加速度曲线均平滑过渡，没有较大
图５ ４种不同驱动方式下前臂与
的突变，这确保了机械手驱动系统的稳定实现。
滑块间作用力在 轴上分量
关于前臂在 轴上的速度、加速度分量，由仿真
（２）总体上滑块与底座关节处的力在坐标轴上
结果（文中省略）可以看出：驱动方式一的加速度
的分量比前臂与滑块关节处的力在相应坐标轴上的分
量小，而且前臂与滑块关节处的力在Ｙ轴上的分量是
值比较大，最大值达５０ ｍＩｎ／ｓ ；驱动方式二有速度
突变，加速度波动较大；驱动方式三加速度有些波
所有力中最大的，说明前臂与滑块之间主要存在的是
挤压作用力。
动，但能控制在±３２．５ ｍｍ／ｓ 以内；驱动方式四的
（３）力的峰值总是出现在滑块旋转快要结束时
波动很小，在ｔ＝１４５ Ｓ和１５０ Ｓ处有突变，但值很小，
刻，说明此时是系统关节受力最大的时刻。
而且整个加速度值也控制在±３２．５ ｍｍ／ｓ 以内。
参考文献：
３．２ 滑块与底座关节处的力在 轴上的分量
【１】刘爽，郭希娟，刘彬．４－ＲＲ（ＲＲ）Ｒ并联机构的动力学性
从图５中可以看出，驱动方式一关节处的力在
能指标分析［Ｊ］．机械工程学报，２００８（７）：６３—６８．
轴上的分量是最小的；驱动方式二关节处的力在 轴
【２】月朱虎，吕汉锋．复合快速成形中板材移送机构及运动
上的分量非常大，近似一１ ２５０ Ｎ；驱动方式三关节
仿真研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（７）：１３２—１３３．
处的力在 轴上的分量较小，在－ｔ－１５０ Ｎ以内；驱动 【３】工树速，田宗远，张小锋，等．基于ＡＤＡＭＳ的足行马机
方式四关节处的力在 轴上的分量在±３５０ Ｎ以内。
构的动力学仿真［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（１０）：
滑块与底座关节处的力在 轴上的分量，除了驱动方
２１５—２１７．
式一的不到４Ｏ Ｎ外，其余３种驱动方式都在４５０ Ｎ
【４】张春亮，李充宁，戚厚军．基于Ｐｒ０／ Ｅ和ＡＤＡＭＳ的２Ｋ—Ｖ
左右。
型减速机的运动学仿真［Ｊ］．机械传动，２００８（３）：４３—
另外前两种情况均在ｔ＝７０ Ｓ附近达到最大值，
４５．
后两种情况均在ｔ＝１０５ Ｓ附近达到最大值，ｔ＝７０ Ｓ
【５】王沫楠，王立权，孟庆鑫，等．两栖仿生机器蟹行走过程
和ｔ＝１０５ Ｓ附近都是滑块旋转过程即将结束时刻，说
运动学研究［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２００３（２）：１７９—
１８３．
明此时滑块与底座关节受力最大。
关于前臂与滑块关节处的力在 、Ｙ轴上的分量，
【６】李成伟，负超．码垛机器人机构设计与运动学研究［Ｊ］．
机械设计与制造，２００９（６）：１８１—１８３．
由仿真结果（文中省略）可以看出：力在 轴上的
【７】王千永，章军，宋浩．小型缸的气一液串联复合驱动系统
分量，驱动方式一是最小的，驱动方式二由于有速度
的动态仿真［Ｊ］．机床与液压，２００７（３）：９４—９６．
突变，它的力是最大的，驱动方式三和驱动方式四比
【８】马履中，尹小琴，杨廷力．新型三平移并联机器人机构动
较相似。４种驱动方式力在Ｙ轴上的分量都比在 分
力分析与动态仿真［Ｊ］．农业机械学报，２００２（３）：８０—
量大，基本都是在２ ５００ Ｎ附近。力在 轴上的分量
８３．
2024年4月6日发(作者：开映雪)
２０１１年９月
第３９卷第１７期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥ Ｔ０ＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ｓｅｐ．２０１１
ＶｏｌＩ ３９ Ｎｏ．１７
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１１．１７．０２９
基于Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ的搬运机器人动态仿真研究
张学军，姜哲珠
（东北电力大学机械工程学院，吉林吉林１３２０１２）
摘要：利用Ｐｒｏ／Ｅ建立四自由度搬运机器人的三维实体模型，在ＡＤＡＭＳ中对其工作过程进行动态仿真，模拟其工作
过程的运动轨迹，并讨论在４种不同驱动方式下搬运机器人主要构件的速度、加速度以及关节处的力在各坐标轴上的分量
的变化情况。仿真结果表明：在不同的驱动方式下，速度、加速度以及关节处的受力情况均不相同，为进一步研究搬运机
器人的运动学和动力学问题以及关节机器人的本体和控制器设计提供了基础。
关键词：优化；动态仿真；ＡＤＡＭＳ软件；搬运机器人
中图分类号：ＴＭ７１３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３８８１（２０１１）１７—０９５—３
Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｒｏｂｏｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｐｒｏ／Ｅ ａｎｄ ＡＤＡＭＳ
ＺＨＡＮＧ Ｘｕｅｊｕｎ．ＪＩＡＮＧ Ｚｈｅｚｈｕ
（Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｔｒｔｉｎｓｆｅｒ ｒｏｂｏｔ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｆｏｕｒ ＤＯＦ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｐｒｏ／Ｅ．Ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｗａｓ ｍａｄｅ ｂｙ ＡＤＡＭＳ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ
０ｆ ｉｔｓ ｍａｉｎ ｂｌｏｃｋｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｕｎｄｅｒ ｆｏｕｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｗａｙｓ，ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｆｏｒｃｅｓ ｗｈｉｃｈ ａｃｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔｓ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｏｏ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｈｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ’Ｓ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｒｉｖｅｎ ｗａｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅｓ ａｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｏｏ．Ｉｔ
ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｅ ｆｏｒ ｉｎ—ｄｅｐｔｈ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｉｔ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ．
Ｋｅｙｗｏｒ￣：Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；Ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＡＤＡＭＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ；Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｒｏｂｏｔ
机器人是新兴的跨学科综合性高新技术，是力
学、机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、电
液气驱动技术、计算机、人工智能、仿生学等多个学
科知识的综合与交叉。随着科技术的发展和社会的进
步，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、国防、
速度、加速度及受力进行了分析，提出了较为合理的
驱动方式。
１ 利用Ｐｒｏ／Ｅ建立搬运机器人模型
文中模拟一个四自由度的圆柱式搬运机器人。首
先对模拟对象进行抽象建模，模型共由５个零件组
成，分别是滑块、前臂、手爪（两个）和底座；其
次利用Ｐｒｏ／Ｅ构建三维模型。各零件的建模过程都相
似，需要经过草绘、确定尺寸、拉伸、剪切、旋转和
倒角等过程完成设计，建立坐标系。结果如图１。
科技、建设、生活等各个领域，具有广阔的研究开发
和应用前景…。
仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相
关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物
理设备为工具，采用系统模型对真实系统进行实验
研究的一门综合性技术 。计算机仿真就是在研
究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模
拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以
是设想中的系统。通过计算机仿真可以代替已有的
物理样机进行各种状态的仿真分析，降低物理样机
现场实验的风险。由于机器人结构和运动的复杂
性，以及成本较高的特点，目前利用计算机通过仿
真方法研究机器人的结构与运动已越来越多地被采
用 一引。
图１ 搬运机器人的三维模型
作者首先利用Ｐｒｏ／Ｅ构建搬运机器人的三维模
型，然后利用ＡＤＡＭＳ对其在不同驱动模式下的运动
收稿日期：２０１０—０８—２５
２ ＡＤＡＭＳ仿真
用Ｐｒｏ／Ｅ建立机器人的三维实体模型后，首先要
基金项目：８６３计划资助项目（２００６ＡＡ０４Ｚ３０５）
作者简介：张学军，男，博士，教授。Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｘｕｅｊｕｎ１９６４＠ｈｏｔｍａｉｏ．ｃｏｍ。
・
９６・ 机床与液压 第３９卷
导入到ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ中，并需要对模型进行一系列
的编辑定义，如更改构件名称、指定构件材料、修改
３仿真结果与分析
限于篇幅，文中仅给出了在４种不同驱动方式
下，滑块在Ｙ轴上的速度、加速度及在 轴上的受力
仿真结果，省略了其他仿真结果。仿真结果如图３—
５。图３为４种不同驱动方式下滑块在Ｙ轴上的速度
几何元素的颜色、添加约束和驱动，之后进行机器人
的动态仿真。
２．１ 添加约束和驱动
ＡＤＡＭＳ／Ｖｉｅｗ提供的运动副有十几种，文中只用
到了固定副、滑移副和圆柱副，驱动用到了滑移驱动
分量仿真结果。图４为４种不同驱动方式下滑块在Ｙ
轴上的加速度分量仿真结果。图５为４种不同驱动方
式下前臂与滑块间作用力在 轴上的分量仿真结果。 和旋转驱动。
各构件之间的约束和驱动定义如下：
（１）前臂与滑块之间是滑移副，在滑移副上添
加的是滑移驱动。
（２）手爪与前臂之间是滑移副，添加的是滑移
驱动。
（３）滑块与底座之间是圆柱副，可以添加滑移
驱动和旋转驱动。
（４）底座与地板之间是固定副， 没有驱动。
２．２驱动方式的选择与工作过程
各约束副上的驱动要根据运动的设计情况编写驱
动函数。作者研究了４种驱动方式下机器人各部件的
速度、加速度、角速度、角加速度及各节点的受力情
况。４种驱动方式分别是：
九¨¨ 一
方式一，用ＳＴＥＰ函数按位移规律进行驱动；
方式二，用ＳＴＥＰ函数按速度规律（有速度突
变）进行驱动；
＜二＝ 一
方式三，用ＳＴＥＰ函数按速度规律（无速度突
变）进行驱动；
方式四，用ＩＦ函数按速度规律进行驱动。
ＳＴＥＰ函数作为运行函数时，是一个由三次多项
＾¨¨¨ ｆ－
式构造成的阶跃函数。ＳＴＥＰ函数与ＩＦ函数按速度
规律进行驱动是有区别的。ＳＴＥＰ函数编辑的速度
曲线并不是一次函数，而ＩＦ函数编辑的是一次函
数。
ｎ 一
以下为说明问题方便，四种不同驱动方式简称
为：方式一；方式二；方式三；方式四。
研究中假定，搬运机器人以其机座为回转中心搬
运货物，如图２。图２是利用ＡＤＡＭＳ对搬运机器人
工作过程进行运动仿真时的起点与终点位。
（ａ）初始位置 （ｂ）工作完成位置
图２搬运机器人运动仿真时的起点与终点位
，
昌
昌
０．０ ３ ｏ．０ ６０．０ ９ｏ．０ １２０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
Ａｎａｌｙｓｉ￣Ｌａｓｔ
Ｒｔｍ ｔ／ｓ ２０Ｇ９￣０６－１９ ｍ５ ２２ Ａ￣Ｊｙｓｌｓ：Ｌ￣ＬＲｕｎ ｔ／ｓ ２￣０９－０６－０９２２：２＆３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
０．０ ３０．
一
０ ６０．０ ９０．
一
０ １２０．０ １５０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２０￣－０ｉｆ－０９ ２１：１４：１３
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｉｎｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－０￣－１２０６：４９：４８
（ｃ）方式三 （ｄ）方式四
１５０．０１
几
一 一
１００．Ｏ１
堇
ｍｏ
一
．
５
０兰
．
０
Ｊ
１
－５０
ｏ｛
．
’
堇
一ｓ
－
ｏ
１００
一 一
１００．０
Ｌ—— ——— —————一．１５０
ｉ．
．
５
．
．
０。
０
ｒ｛１
Ｌ
——
］
———』—
１
．
——一
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
ＡｎａｌＹ。‘。 ：Ｕ 皿ｆ，ｓ 帅 ‘。２０：５６：２２
ＡｎＲｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２呻 ０６・０９２０：２５：３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
ｎ 一
昌
昌
吕
昌
毽
一
－
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｎｓｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９．０．６－０９２１：１
ＡｒｍｌｙＣｌｓ：Ｌｕｔ
４：１３ Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－０６－１２０６：４９：４８
（ｃ）方式三
（ｄ）方式四
图４ ４种不同驱动方式下滑块在Ｙ轴上的加速度分量
３．１ 滑块在Ｙ轴上的速度、加速度分量
在图３中，除了驱动方式二有速度突变外，其余
方式速度过渡都比较平稳。在图４中，驱动方式一加
速度有突变，并且波动频繁；驱动方式二由于有速度
突变，所以加速度也有突变，而且值很大；驱动方式
三加速度没有突变，过渡非常好；驱动方式四速度虽
第ｌ７期 张学军等：基于Ｐｒｏ／Ｅ与ＡＤＡＭＳ的搬运机器人动态仿真研究 ‘９７－
然有突变，但突变值很小。另外，前两组花费的时间 也比较小， 与在 轴上的分量相似。
是１３０ Ｓ，后两组的是１６５ Ｓ，因此驱动方式三和驱动
从整体看，前臂与滑块关节处的力在Ｙ轴上的
方式四的工作效率会低些。
分量明显大于在 和ｚ轴上的分量，说明前臂与滑
块之间主要存在的是挤压作用力，而且从峰值出现
的时间来看，在滑块旋转快要结束时的力是最大
的，与滑块与底座关节处最大力的出现时刻基本吻
合，再次说明此时是系统关节受力最大的时刻。若
机械手各零件能满足此时的强度及刚度要求，定能
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０
０．０ ３０．０ ６ｏ．０ ９０．０ １２０．０
稳定地工作。
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌａｓｔ Ｒｅ．ｔｌｓ ２ｏ。 。 ０”： ：
Ａｎａｌｙｓｉｓ：Ｌｅｓｔ
＿
Ｒｕ．ｔｌｓ ２００ ６ ２２：２８：３０
（ａ）方式一
（ｂ）方式二
４结论
ｌＯｍ
文中主要针对四自由度机械手进行动态模拟仿
５０．
真。首先是利用Ｐｒ０／Ｅ建立机械手的三维实体模型，
匿 也
然后再导入到ＡＤＡＭＳ中，利用ＡＤＡＭＳ对其进行动
态仿真。通过比较文中的４种不同驱动方式，可以得
－
５ｎ
出如下结论：
－
１００．
０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０ ０．０ ３０．０ ６０．０ ９０．０ １２０．０ １５０．０
（１）采用高次方程来规划机械手的运动轨迹，
ＡａＪｌｙｆｌｌ：１．ｍｔ
Ｒｕｎ ｔ／ｓ ２００９－６６－１１ １５：１４：４５
Ａｎａｌｙ，ｂ：Ｌａｓｔ Ｒｕｎ ｔｌｓ ２０￣３－０６－１１ ２２：４４：３９
（Ｃ）方式三
（ｄ）方式四
可以保证机械手在运动过程中主要构件及关节随时间
的变化，速度以及加速度曲线均平滑过渡，没有较大
图５ ４种不同驱动方式下前臂与
的突变，这确保了机械手驱动系统的稳定实现。
滑块间作用力在 轴上分量
关于前臂在 轴上的速度、加速度分量，由仿真
（２）总体上滑块与底座关节处的力在坐标轴上
结果（文中省略）可以看出：驱动方式一的加速度
的分量比前臂与滑块关节处的力在相应坐标轴上的分
量小，而且前臂与滑块关节处的力在Ｙ轴上的分量是
值比较大，最大值达５０ ｍＩｎ／ｓ ；驱动方式二有速度
突变，加速度波动较大；驱动方式三加速度有些波
所有力中最大的，说明前臂与滑块之间主要存在的是
挤压作用力。
动，但能控制在±３２．５ ｍｍ／ｓ 以内；驱动方式四的
（３）力的峰值总是出现在滑块旋转快要结束时
波动很小，在ｔ＝１４５ Ｓ和１５０ Ｓ处有突变，但值很小，
刻，说明此时是系统关节受力最大的时刻。
而且整个加速度值也控制在±３２．５ ｍｍ／ｓ 以内。
参考文献：
３．２ 滑块与底座关节处的力在 轴上的分量
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从图５中可以看出，驱动方式一关节处的力在
能指标分析［Ｊ］．机械工程学报，２００８（７）：６３—６８．
轴上的分量是最小的；驱动方式二关节处的力在 轴
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上的分量非常大，近似一１ ２５０ Ｎ；驱动方式三关节
仿真研究［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（７）：１３２—１３３．
处的力在 轴上的分量较小，在－ｔ－１５０ Ｎ以内；驱动 【３】工树速，田宗远，张小锋，等．基于ＡＤＡＭＳ的足行马机
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构的动力学仿真［Ｊ］．机械设计与制造，２００９（１０）：
滑块与底座关节处的力在 轴上的分量，除了驱动方
２１５—２１７．
式一的不到４Ｏ Ｎ外，其余３种驱动方式都在４５０ Ｎ
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左右。
型减速机的运动学仿真［Ｊ］．机械传动，２００８（３）：４３—
另外前两种情况均在ｔ＝７０ Ｓ附近达到最大值，
４５．
后两种情况均在ｔ＝１０５ Ｓ附近达到最大值，ｔ＝７０ Ｓ
【５】王沫楠，王立权，孟庆鑫，等．两栖仿生机器蟹行走过程
和ｔ＝１０５ Ｓ附近都是滑块旋转过程即将结束时刻，说
运动学研究［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２００３（２）：１７９—
１８３．
明此时滑块与底座关节受力最大。
关于前臂与滑块关节处的力在 、Ｙ轴上的分量，
【６】李成伟，负超．码垛机器人机构设计与运动学研究［Ｊ］．
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由仿真结果（文中省略）可以看出：力在 轴上的
【７】王千永，章军，宋浩．小型缸的气一液串联复合驱动系统
分量，驱动方式一是最小的，驱动方式二由于有速度
的动态仿真［Ｊ］．机床与液压，２００７（３）：９４—９６．
突变，它的力是最大的，驱动方式三和驱动方式四比
【８】马履中，尹小琴，杨廷力．新型三平移并联机器人机构动
较相似。４种驱动方式力在Ｙ轴上的分量都比在 分
力分析与动态仿真［Ｊ］．农业机械学报，２００２（３）：８０—
量大，基本都是在２ ５００ Ｎ附近。力在 轴上的分量
８３．