一、引言

工業(yè)機器人是近30年來在自動操作機基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種能模仿人的某些動作和控制功能，并按照可變的預(yù)定程序、軌跡及其他要求操縱工具實現(xiàn)多種操作的自動化機械系統(tǒng)。它綜合了精密機械、控制傳感器和自動控制技術(shù)等領(lǐng)域的最新成果，在工廠自動化和柔性生產(chǎn)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用，并已廣泛應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航天航空和軍事技術(shù)等各個領(lǐng)域。

工業(yè)機器人的大力發(fā)展使得工業(yè)機器人的設(shè)計成為一個突出的課題。由于工業(yè)機器人的研究是作為一個系統(tǒng)進行的，必須從總體出發(fā)研究其系統(tǒng)內(nèi)部各組成部分和外部環(huán)境與系統(tǒng)之間的相互關(guān)系。在通常情況下設(shè)計的第一步是要對工業(yè)機器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù)進行可行性分析，這些技術(shù)參數(shù)主要包括：自由度、工作空間、額定負(fù)載、運動速度、分辨率、位姿和軌跡的準(zhǔn)確性和重復(fù)精度等。在設(shè)計過程需建立相關(guān)的機構(gòu)模型，通過計算機器人的運動學(xué)和動力學(xué)方程的正解或逆解來了解這些基本參數(shù)的情況，而這需要花費設(shè)計人員大量的時間，特別是在對新產(chǎn)品的開發(fā)上，找到一種簡潔、直觀、快速的分析方式解決這一問題是當(dāng)務(wù)之急。

隨著計算機技術(shù)的普及與不斷發(fā)展，特別是三維繪圖軟件出現(xiàn)，使CAD技術(shù)又躍上了一個臺階。用三維繪圖軟件對設(shè)計參數(shù)進行三維動態(tài)模擬，對工業(yè)機器人的設(shè)計應(yīng)該是一種高效、直接的方式，這種方式直觀、形象，更重要的是降低了企業(yè)新產(chǎn)品的設(shè)計周期和成本，是一種行之有效的辦法。

本文以三維繪圖軟件中的INVENTOR軟件作為應(yīng)用的對象，介紹INVENTOR軟件進行機器人設(shè)計的三維動態(tài)模擬的應(yīng)用方法。

二、運用INVENTOR軟件對機器人的設(shè)計進行三維動態(tài)模擬的可行性

在機器人的設(shè)計中，各技術(shù)參數(shù)的機器人位姿、軌跡和工作空間的分析是首要的、必須的。要滿足工作需求，機器人工作狀態(tài)應(yīng)該滿足某種條件。如下圖在裝配生產(chǎn)線中要設(shè)計一機器人來完成對物料的裝配，要求機器人完成對1#和2#兩個位置物料的裝配。

在這里要模擬滿足工作需要的機器人必須是在三維空間中運動的，并且要把機器人完成的動作進行必要的分解，被分解的動作是運動的兩種基本形式：移動或旋轉(zhuǎn)。使用的相關(guān)軟件能三維動態(tài)地模擬機器人的運動過程，從而得到相應(yīng)的位姿、軌跡和工作空間。在模擬的過程中，要求該軟件可以提供參數(shù)化的設(shè)計，在對機器人的相關(guān)參數(shù)進行修改后，可隨時觀察機器人的運動狀態(tài)。

INVENTOR軟件具備上述的幾個條件，它具有以下特點。

首先它是三維繪圖軟件，可根據(jù)草圖的繪制得到基于特征造型的各種零件；在構(gòu)造出的零件以后，可以創(chuàng)建裝配圖，形成相關(guān)的裝配體，這一組裝的機器人可近似地表達(dá)其大致的立體結(jié)構(gòu)。其次，INVENTOR軟件可實現(xiàn)裝配體的動態(tài)模擬，這主要依賴于它的表達(dá)視圖的功能，在表達(dá)視圖中，可對機器人運動部件進行模擬，基本的運動形式是移動和旋轉(zhuǎn)，在此基礎(chǔ)上由這兩種基本的運動形式可形成更多的運動。這種表達(dá)視圖所形成的動畫以AVI文件形式被保存下來，以備修改。此外，INVENTOR軟件還是一種基于參數(shù)化的、具有自適應(yīng)功能的軟件，它可對設(shè)計的各參數(shù)進行修改，當(dāng)零件的參數(shù)修改后，其相應(yīng)的裝配體模型、工程圖模型已將隨之改變。最后，INVENTOR軟件可根據(jù)三維模型自動形成二維工程圖紙，在二維工程圖紙中，根據(jù)設(shè)計者需要選擇表達(dá)方案，快速標(biāo)注相關(guān)的尺寸。

INVENTOR軟件的這些條件可以幫助我們完成機器人運動的三維動態(tài)模擬，提高設(shè)計的效率和質(zhì)量。下面就上例介紹以下INVENTOR軟件三維動態(tài)模擬的具體方法。

三、運用INVENTOR軟件對機器人進行三維動態(tài)模擬的方法

為實現(xiàn)上述工作任務(wù)，我們選擇基于關(guān)節(jié)型的SCARA機器人，完成將物料從1#到3#，從2#到4#的裝配。我們首先根據(jù)SCARA機器人的構(gòu)造創(chuàng)建機器人的各主要零件，主要通過繪制草圖構(gòu)造機器人各主要零件的三維模型。完成各零件后，要新建裝配體，選擇合適的裝配約束將各零件組裝起來。

完成裝配體的裝配后，新建表達(dá)視圖。將裝配體文件調(diào)入，對裝配體的運動部件進行運動設(shè)置。具體方法如下：點擊調(diào)整零部件位置按鈕，選擇運動的零部件，在方向這一選項中選擇坐標(biāo)系OXYZ，將坐標(biāo)系移動到所選的零部件的適當(dāng)位置上，在平移選項上選擇移動或旋轉(zhuǎn)，根據(jù)在零部件上所選的坐標(biāo)系方向，選擇X軸或Y軸或Z軸上的運動，平移運動可根據(jù)坐標(biāo)軸的方向輸入相關(guān)移動距離的代數(shù)值，旋轉(zhuǎn)運動要選擇相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)的角度，如果整周旋轉(zhuǎn)，應(yīng)選360°。如果是復(fù)合運動，可同時選擇相應(yīng)的多個坐標(biāo)系方向。如沿Z軸的螺旋運動，應(yīng)選擇零部件，設(shè)好Z軸方向，在移動選項設(shè)距離，在旋動選項設(shè)角度。如圖所示為SCARA機器人的運動設(shè)置。

在設(shè)置好運動參數(shù)后，點擊動畫按鈕，在參數(shù)選項設(shè)置時間的間隔以及重復(fù)的次數(shù)，在動畫的順序中設(shè)置機器人各零部件運動的次序，可通過上移和下移調(diào)節(jié)各零部件運動的順序，通過組合和分解調(diào)整復(fù)合運動的組成。如沿Z軸的螺旋運動，將Z軸的平移運動和Z軸的旋動運動組合起來。

設(shè)好所有參數(shù)后，可在表達(dá)視圖瀏覽器中觀察到相應(yīng)的設(shè)置，點擊錄制動畫按鈕，將其保存為AVI文件。這樣通過對SCARA機器人的三維模擬運動，從而觀察和檢驗設(shè)計參數(shù)的正確與否。

進行參數(shù)化設(shè)計時，要在相關(guān)零部件的立體圖中，把設(shè)計參數(shù)設(shè)為變量。改變設(shè)計變量后，相關(guān)的零部件、表達(dá)視圖及動畫文件都會隨之變化，這樣就可以觀察出該參數(shù)對機構(gòu)運動的影響，從而調(diào)整設(shè)計參數(shù)改進機構(gòu)。

四、結(jié)束語

綜上所述，用INVENTOR軟件進行機器人的三維動態(tài)模擬對設(shè)計是很有幫助的，它使設(shè)計更加直觀、形象，能夠提高機器人設(shè)計的質(zhì)量。