贵州大学本科毕业设计(论文) 第V页 overall framework for building, mapped a single component and Boolean operation, designed parameters for the robot and the key points. Finally, we introduced the basic principles and methods of robot trajectory planning, and compared differences between the joint space trajectory planning and rectangular coordinates space trajectory planning. the cubic polynomial and five polynomial of the robot trajectory planning were carried out, the Step function were used on a trajectory simulation analysis of ADAMS software.Then in Windows XP system environment, using Visual C + + 6.0 as development tool, the author establish a 3-dof manipulator visual simulation system, realizing the accessing and using to the data of control model derived from MATLAB .
Key words: kinematics trajectory planning ADAMS virtual prototyping technology Visual simulation Texture mapping
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目 录
第一章 绪论 ............................................................ 1
1.1工业机器人的发展现状 ............................................ 1 1.2 虚拟样机技术简介 ............................................... 1
1.2.1 虚拟样机的定义和特点 ...................................... 2 1.2.2 研究现状和发展趋势 ........................................ 2 1.4 本文要研究的主要内容 ........................................... 4 第二章 机器人运动学 .................................................... 5
2.1 空间点和坐标系的表示 ........................................... 5
2.1.1 空间点的向量表示 .......................................... 5 2.1.2坐标系在固定参考坐标系中的表示 ............................ 6 2.2 坐标系的变换 .................................................. 6
2.2.1 齐次变换 .................................................. 6 2.2.2 坐标系相对于旋转坐标系的变换 ............................. 10 2.2.3 变换矩阵的逆 ............................................. 10 2.3 机器人的正逆运动学 ............................................ 11
2.3.1正运动学的D-H表示法 ..................................... 12 2.3.2逆运动学方程的求解 ....................................... 15 2.4 微分运动 ...................................................... 16 第三章 基于ADAMS的机器人的虚拟样机分析 ............................... 18
3.1 ADAMS概述 ..................................................... 18 3.2 ADAMS中机器人模型的建立 ....................................... 18
3.2.1 设置建模环境 ............................................. 19 3.2.2机器人实体建模 ........................................... 19 3.2.3 机器人模型的设置 ......................................... 20 3.3 轨迹规划仿真分析 .............................................. 21
3.3.1 轨迹规划方法的理论分析 .................................. 21 3.3.2 轨迹规划仿真分析 ........................................ 27
第四章 基于模型的视景仿真系统的设计与实现 ............................. 32
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4.1 OpenGL概述 .................................................... 33
4.1.1 OpenGL工作方式 ......................................... 33 4.1.2 OpenGL绘制过程 ......................................... 34 4.2 机器人三维可视化框架建立 ..................................... 35
4.2.1 利用MFC建立单文档应用程序框架 .......................... 35 4.2.2 设置OpenGL绘图环境 ..................................... 37 4.3 机械手三维模型的建立 ......................................... 40
4.3.1 导入机械手模型 .......................................... 40 4.3.2 在OpenGL中建立机械手的模型 ............................. 41 4.4 建立仿真场景 ................................................. 44
5.4.1 纹理贴图的实现 .......................................... 45 4.4.2 设置光照 ................................................ 48 4.5 基于模型的视景仿真的实现 ..................................... 51
4.5.1 数据的读取 .............................................. 52 4.5.2 利用读取的数据控制机械手的运动 .......................... 55 4.5.3 实现观察视角的交互式键盘控制 ............................ 60
结论 .................................................................. 63 致谢 .................................................................. 65 附录 .................................................................. 66 参考文献 .............................................................. 73 实习报告 .............................................................. 74
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第一章 绪论
1.1工业机器人的发展现状
1961年，美国的Consolided Control Corp和AMF公司联合制造了第一台实用的示教再现型工业机器人，迄今为止，世界上对工业机器人的研究已经经历了四十余年的历程，日本、美国、法国、德国的机器人产业已日趋成熟和完善。工业机器人由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，
【1】
提高生产效率改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。
采用工业机器人，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的广泛应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。在制造业中，尤其是在汽车产业中，工业机器人得到了广泛的应用。如在毛坯制造(冲压、压铸、锻造等)、机械加工、焊接、热处理、表面涂覆、上下料、装配、检测及仓库堆垛等作业中，机器人都已逐步取代了人工作业。如，2004年德国汽车制造业中每1万名工人中拥有工业机器人的数量为1140台。
【2】
在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的Adept Technology、American Robot、意大利COMAU，英国的AutoTech Robotics公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。
在我国，工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了，已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。2004年全年国产工业机器人数量（主要指在国内生产和组装的）突破1400台，产值突破8亿元人民币。进口机器人数量超过9000台，进口额达到2.6亿美元。国内各个工业机器人厂家都呈现出产销两旺的局面。截至2004年底，我国工业机器人市场已经突破30亿元人民币。 现阶段，我国工业机器人正逐步发展成为一种有影响力的
【3】
产业。
1.2 虚拟样机技术简介
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1.2.1 虚拟样机的定义和特点
虚拟样机技术就是在建造第一台物理样机之前,设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型,进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性,从而修改并得到最优设计方案的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心,加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新研发机械产品的设计方法。它是一种计算机模型,它能够反映实际产品的特性,包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术,设计师可以在计算机上建立机械系统的模型,伴之以三维可视化处理,模拟在真实环境下系统的运动和动力特性,并根据仿真结果精化和优化系统。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能,对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上,把虚拟技术与仿真方法相结合,为产品的研发提供了一个全新的设计方法。它具有以下特点：
A 全新的研发模式
虚拟样机技术实现了系统性的产品优化,使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征,从而获得最优工作性能。
B 研发成本低、周期短、产品质量高
通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验,不但减少了物理样机的数量,降低了成本,而且缩短了研发周期、提高了产品质量。
C 实现了动态联盟
广泛地采用动态联盟, 通过Internet共享和交流，临时缔结成的一种虚拟企业，适应了快速变化的全球市场,克服单个企业资源的局限性。
1.2.2 研究现状和发展趋势
虚拟样机技术在一些较发达国家,如美国、德国、日本等已得到广泛的应用,应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、到医学以及工程咨询等很多方面。
美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)研制的火星探测器“探路号”，就是JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究研发的。美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首架以无图方式研发及制造的飞机,其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术,不但缩短了研发周期、降低了研发成本,而且确保了最终产品一次接装成功。
我国从“九五”期间开始跟踪和研究虚拟样机的相关技术,主要研究集中在虚