机械臂设计.docx

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机械臂设计

机械臂的运动分析和模拟

摘要

本设计采用在基于Lisp编程语言的CAD下和MATLAB软件下进行的机械臂的程序化设计，将机械臂用CAD的形式绘制出来，并用Lisp语言进行编程将AutoCAD和MATLAB软件相互联系使用产生运动轨迹坐标数据和速度加速的曲线，便能清晰的将所设计机械臂的运动形式和运动轨迹的合理性表现出来，从而能够仅仅通过适当调整在AutoCAD中机械臂的各个构件或者运动轨迹就能得出设计者想要的最优化设计，这样能够在很大程度上减少我们人要花费很大精力进行大量复杂的工程计算，大大的提高了工作效率降低工作负担。

因此采用此种方法不管是在工程的设计上还是在大量的技术计算上发挥着至关重要的作用

关键词：

机械臂，仿真软件，模块化

Mechanicalarm'smovementanalysisandsimulation

ABSTRACT

ThisdesignusesaLisp-basedprogramminglanguageandMATLABundertheCADsoftwareoftherobotarmundertheproceduresofdesign,therobotarmusingCADDrawingouttheform,andLispprogramminglanguageandMATLABwillbeAutoCADsoftwarecontacttrajectorycoordinatestheuseofdataandacceleratethespeedofthecurve,canbedesignedtobeaclearmovementoftherobotarmtrajectoryformsanddemonstratedthereasonablenessandtherebybeabletoadjustonlythroughtheappropriatearmofAutoCADinthevariouscomponentsortrajectorywillbeabletocometodesignerswanttooptimizethedesign,toalargeextentthiscanreduceourpeoplehavetospendagreatdealofenergytocarryoutalargenumberofcomplexengineeringcalculations,asignificantincreaseintheworkloadandreducingefficiency.Thereforetoapplythismethod,whetherinthedesignoftheprojectorinthecalculationofalargenumberoftechnologyplaysapivotalrole

KEYWORDS:

manipulator,simulationsoftware,modular

前言

仿真（simulation）是利用模型复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或设计中的系统。

又称模拟。

当所研究的系统造价昂贵、实验的危险性大或需要很长的时间才能了解系统参数变化所引起的后果时，仿真是一种特别有效的研究手段。

随着仿真技术的发展,仿真技术应用目的趋于多样化、全面化。

最初仿真技术是作为对实际系统进行试验的辅助工具而应用的,而后又用于训练目的,现在仿真系统的应用包括:

系统概念研究、系统的可行性研究、系统的分析与设计、系统开发、系统测试与评估、系统操作人员的培训、系统预测、系统的使用与维护等各个方面。

它的应用领域已经发展到军用以及与国民经济相关的各个重要领域。

1.国内外现状

就国内来说，通过几个五年计划的努力,我国仿真技术得到了快速发展,并取得了突破性成果。

在国防工业领域,建成了不同类型的半实物仿真系统。

半实物仿真系统的应用在国防工业产品研制、生产、使用、维护过程中发挥了巨大作用。

在军事领域建立了指挥、作战、训练的仿真系统及半实物仿真试验室。

仿真技术的应用为我军部队指挥、作战、训练提供了有效的工具,为我军现代化建设做出了重要贡献。

在先进分布交互仿真技术方面,我国初步建成了分布交互综合仿真系统【2】。

该系统是一个含有灵境技术的、开放的、支持分布交互仿真的支撑环境,支持复杂系统设计、运行和评估,并开始应用于实际系统的研制和开发工作。

在民用工业中,我国已自行研制生产电力工业的大型电站（200MW,300MW,600MW）仿真系统、交通运输仿真系统、石油化工过程仿真系统等【3】。

我国仿真技术经过“七五”、“八五”、“九五”期间的努力,已有长足发展。

在某些方面达到了国际先进水平。

但总的技术水平,特别是应用水平与发达国家比较还有差距,需要进一步努力,加速发展仿真技术以缩小差距。

系统仿真技术的优良特性和巨大效益,可能将成为今后人们特别重视和大力发展的综合技术。

仿真系统将应用于人类生产实践的全过程,这样可以避免决策失误,可以预测可能发生的问题,达到避免故障、安全控制的目的。

现在国外的现状是以美国为代表的发达国家高度重视仿真技术的发展和应用。

10多年来美国国防部一直将仿真和建模技术列为国防关键技术。

1997年度的“美国国防技术领域计划”,将建模与仿真列为提高军事能力的四大支柱（战备、现代化、部队结构、支持能力）的重要技术。

美国三军先后建成了:

为满足红外成像制导武器仿真需要的红外制导半实物仿真系统。

为满足雷达寻的制导的毫米波半实物仿真系统MSS-2,它是当今世界上规模最大、技术最先进的射频仿真系统。

可以满足地空空导弹毫米波精确制导仿真的需要。

目前,用于爱国者PAC-2和PAC-3型导引头半实物仿真。

【1】复合制导是精确打击武器装备的标志性发展,支持复合制导武器的仿真技术,成为当今最具挑战性的仿真技术。

美国等西方国家除军事用途外的其他行业中的仿真技术及应用都居于世界领先水平,如飞机模拟器、车辆运输仿真、电力系统、石化工业仿真系统等。

2．展望

建模理论和方法,仍然是推动仿真技术进步发展的重点研究方向。

它是系统仿真可持续发展的基础。

美国等发达国家在仿真领域一直是将建模理论和方法的研究工作列为重中之重。

另外,无论是武器系统还是工业系统,都向大型化、复杂化方向发展,相应的必须开展支持复杂大系统建模的理论和方法研究【4】。

仿真作为一门综合性科学,将随着其相关领域技术的深入发展,继续向纵深快速发展,同时将扩大其综合应用的领域,在国防建设和国民经济建设中发挥更大的作用。

但是,作为一门综合性技术学科,仿真技术还有许多理论及技术问题需要继续进行深入的研究探讨。

【5】

第一章概述

1.1AutoCAD技术的实际应用领域与发展

1.11AutoCAD的发展史

AutoCAD是由美国Autodesk公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。

　近20年来，版本不断更新，功能日益增强，AutoCAD从最初的AutoCADVl.0版本发展到现今流行的AutoCAD2000，成为集平而作图、三维实体、数据库管理、渲染着色、国际互联网等功能于一体的强人辅助设计软件。

它的应川与普及覆盖了机械、汽车、造船、家电、工程、建筑、轻工、电气、电力、纺织等许多行业。

从最初的甩图板工程到应用CAD进行三维设计，人们的设计思维也在发生着变化。

AutoCAD具有良好的用户界面，通过交互菜单或命令行方式便可以进行各种操作。

它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。

在不断实践的过程中更好地掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。

　　AutoCAD具有广泛的适应性，它可以在各种操作系统支持的微型计算机和工作站上运行，并支持分辨率由320×200到2048×1024的各种图形显示设备40多种，以及数字仪和鼠标器30多种，绘图仪和打印机数十种，这就为AutoCAD的普及创造了条件。

械设计是生产机械产品的第一道工序，设计质量的高低，直接影响机械产品的技术水平和经济效果，因此，设计的过程是设计一评价一再设计的反复过程。

传统的机械设计方法，是以实践经验为基础，依据力学和数学建立的理论公式和经验公式，运用数表、图形和手册等技术资料，进行方案拟定、设计计算、绘图和编写设计说明书。

而现代设计是以产品为总目标的一系列种类繁多的现代设计法和技术的综合运用。

生产技术的需要和先进设计手段的出现，必然促进设计领域的改革和发展，对于机械设计来说几乎是更新换代，传统的常规设计方法受到很大冲击，用科学的设计方法代替经验的、类比的设计方法已势在必行。

缩短设计周期、提高设计质量、发展设计理论、改进设计技术及方法已成为当前机械设计的必然趋势。

1.12CAD的应用与概况

由于计算机具有运算速度快、数据处理准确、存储量大和具有逻辑判断功能等特点，因此，它已经成为现代工程设计中分析、计算、综合、决策、数据处理、图形处理和与各种现代设计法结合的不可替代的重要工具。

这种人机交互式的设计方法，就是计算机辅助设计CAD（computeraideddesign）。

产品的生产分设计与制造两大部分，设计过程中除了需求分析及可行性研究与分析这两个环节很难用计算机实现外，其余从概念设计到设计结果都可用计算机实现，从而构成了CAD过程。

制造过程是指从工艺过程设计开始，经产品装配直到进入市场为止。

在这个过程中，工艺设计以及采用数控机床时的加工编程等，从工艺过程设计到装配的一系列环节同样也可以用计算机实现，由此构成了广义的CAM过程。

在CAM过程中主要包括两类软件，一类叫计算机辅助工艺规程设计（CAPP：

ComputerAidedProessPlanning），另一类叫数控编程（NCP：

NCProgramming）。

这两个过程的计算机化促进了设计与制造自动化的程度。

自动化程度的进一步提高则有赖于这两个过程的进一步集成。

1.13计算机辅助设计的软件系统

CAD的软件系统包括系统软件、支撑软件和应用软件三个层次。

a.系统软件

与硬件和操作系统密切相关，用于对系统资源的管理，对输和输出设备的控制等。

b.支撑软件

支撑软件是在系统软件基础上开发的满足用户共同需要的通用软件或工具软件，目前市场上所见到的各种商业化的CAD软件大多属于支撑软件。

支撑软件主要用来实现几何建模、绘图、工程设计计算和分析等功能。

1.集成化CAD／CAM软件集成化CAD／CAM软件支持二维和三维图形方式下进行产品及其零件的定义。

如AutoCAD等。

但近年来随着实体造型技术的日趋完善，不少CAD系统转向采用实体造型技术来定义产品的几何模型，进行分析、数控加工、输出工程图等。

目前较为成熟的CAD／CAM集成系统包括：

UG，Pro—Engineer，CATIA，DUCT，CADDS—5等。

2.计算和分析软件计算和分析软件主要用于解决工程设计中的各种数值计算和分析。

包括：

①数学计算软件，如MATLAB、MATHCAD等。

②有限元分析软件，如I—Deas，SAP—5，ADINA，ANSYS等，目前有限元分析的理论和方法已日趋成熟，这些软件还包含了较强的前、后处理功能。

③优化设计软件，如IBM公司的ODL、我国的OPB—2等。

3.数据库管理系统软件目前流行的数据库管理软件很多，如FoxPro、Oracle、Access等，它们都属于关系型数据库管理系统，常用于商业和事物管理中。

适用于CAD工程数据库的管理系统必须是管理量大、类型及关系很复杂的数据，且信息模式是动态的。

目前流行的数据库管理系统很难满足上述要求。

因此，在设计者要根据需要选择和编制适用数据库和接口程序。

1.14CAD的发展趋势

进入21世纪，CAD造型技术在理论上并没有出现人们期待已久的重大突破，但是在应用和实用技术方面还是取得了不少的进展，这表现在以下几个方面：

图形交互功能改进CAD软件是产品创新的工具。

既为工具，则务求易学好用、得心应手，形成一个友好的、具有某种智能化的工作环境。

这样的工作环境可以开拓使用者的思路，解放其大脑，让其集中精力于设计创作，而并非软件的操作次序或使用规则。

1.2Lisp语言简介及在仿真方法

Autolisp是由Autodesk公司开发的一种采用Lisp程序语言的编程工具.除了Fortran和Cobol语言，大多数在60年代初期开发的编程语言都已经很少使用了，但Lisp保留了下来，并演变成了一种在人工智（AI）领域居于领先地位的编程语言Autolisp容许用户建立新命令来实现一个或多个功能。

例如，程序员可以用Autolisp创建程序包来实现用位置数据自动生成3D轮廓图，生成3D对象的“展开”的图案，用一系列尺寸信息绘图（参数绘图）。

多年来，用户用Autolisp来自动地为建筑图生成楼梯，为机械图生成齿轮，以及各种测量图。

使用Autolisp定制的子程可以创建高效的绘图系统。

无论你是继续提高你的Lisp编程知识并写出功能强大的子程，还是仅仅有一个一般的理解并写出简单的子程，你都会发现Autolisp会大大加强你的AutoCAD工作。

1.21AutoCAD二次开发

1.21.1必要性

AutoCAD所提供的只是一般的通用的CAD功能，如造型、编辑、注释等。

如果不利用AutoCAD开发系统，要想完成某一具体醒目的设计，就会显得较为复杂。

例如，我要设计一台活塞式发动机，就需要根据发动机功率先手工计算出活塞直径，然后再调用AutoCAD的绘图命令，一笔一笔地绘出发动机的图形。

这样，一旦在设计完成后，要更改发动机的功率，则需要重复刚才的全部内容。

如果使用AutoCAD开发系统，则我们可以将上述计算和绘图通过高级语言编制相应的程序，在需要设计时，只一个命令便可以运行该程序，计算和绘图过程自动完成。

显而易见，这不仅大大提高了设计效率，而且通过开发系统可以定制出某些专业化模块，甚至大型设计绘图软件。

1.21.2开发工具

AutoCAD系统的定制开发工具，又称为AutoCAD开发工具。

有时称作AutoCADAPI（ApplicationprogrammingInterface应用编程接口），是将AutoCAD环境客户化的基本手段。

在AutoCAD2000中，我们使用的开发工具主要有：

ObjectARX、AutoLISP、VisualLISP、Java、VisualBASIC和Delphi等。

a）AutoLISP和VisualLISP

VisualLISP是一个对使用LISP语言开发和定制AutoCAD的可视化开发环境。

它扩展和增强了现有的AutoLISP语言，提供了程序的编写和调试环境，可将LISP程序编译成ObjectARX，大大提高了CAD编程效率和性能，是一个崭新的一体化可视CAD编程环境。

VisualLISP提供标准Windows安装界面，安装方便。

1.3Matlab简介及仿真应用

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。

　　MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称，和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。

在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C++，JAVA的支持。

可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。

1.31发展历程

20世纪70年代，美国新墨西哥大学计算机科学系主任CleveMoler为了减轻学生编程的负担，用FORTRAN编写了最早的MATLAB。

1984年由Little、Moler、SteveBangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市场。

到20世纪90年代，MATLAB已成为国际控制界的标准计算软件。

1.31.1应用

MATLAB的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。

附加的工具箱（单独提供的专用MATLAB函数集）扩展了MATLAB环境，以解决这些应用领域内特定类型的问题。

1.31.2Matlab的特点及优势

　　Matlab主要特点是他可用于技术计算；此开发环境可对代码、文件和数据进行管理；交互式工具可以按迭代的方式探查、设计及求解问题；数学函数可用于线性代数、统计、傅立叶分析、筛选、优化以及数值积分等；二维和三维图形函数可用于可视化数据；各种工具可用于构建自定义的图形用户界面；各种函数可将基于MATLAB的算法与外部应用程序和语言（如C、C++、Fortran、Java、COM以及MicrosoftExcel）集成

Matlab的优势主要是友好的工作平台和编程环境；简单易用的程序语言；强大的科学计算机数据处理能力；出色的图形处理功能；应用广泛的模块集合工具箱；实用的程序接口和发布平台；应用软件开发（包括用户界面）

第二章机构运动分析

2.1机构运动分析的必要性

机构学在广义上又称机构和机器理论（简称机械原理）。

18世纪下半叶第一次工业革命促进了机械工程学科的迅速发展，机构学在原来的机械力学基础上发展成为一门独立的学科，通过对机构的结构学、运动学和动力学的研究形成了机构学独立的体系和独特的研究内容，对于18～19世纪产生的纺织机械、蒸汽机及内燃机等的结构和性能的完善起了很大的推动作用。

　现代机械已大大不同于19世纪机械的概念，其特征是具有计算机信息处理和控制的手段，从而促使机构学发生广泛、深刻的变化。

2.2运动分析的目的及基本方法

2.11运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据加速度、或角位置、角速度，角加速度等运动参数。

其目的在于研究评价机构的运动给定的原动件的运动规律，求出机构中其它构件的运们动，即求出各构件的位置、速度、及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。

总之，运动分析是了解、分析现有机械或优化综合新机械的基本手段。

2.12运动分析的基本方法

运动分析，一般来讲有图解法和解析法。

图解法运动概念清楚，形象直观，简单容易掌握，但是精度要不高，而解析法相对来说精度要求可能以很高，应用较广，但比较抽象（抽象成数学关系或计算机程序），就解析法而言，由于所用的数学工具的不同，又有许多种方法，但其本质上，可以分为约束法和杆组法两大类。

图解法用图解法作机构的位置图时，主要采用圆弧相交法。

由原动件的已知位置开始，按机构的组成顺序，逐步按杆组依次确定各个构件的位置。

杆组法根椐机构组成原理，机构可由I级机构加基本杆组组成，当给定I级机构的运动规律后，机构中各基本杆组的运动是确定的、可解的。

因此，机构的运动分析可以从I级机构开始，通过逐次求解各基本杆组来完成。

这样，把I级机构和各类基本杆组看成是各自独立的模块，分别建立其运动分析的数学模型并编制程序，对其位置、速度和角速度、加速度和角加速度等运动参数进行求解。

对所要进行运动分析的具体机构，可以通过调用原动件和机构中所需的基本杆组的运动分析模块来解决，这样，可快速成求解出各构件及其上各点的运动参数。

这种方法称为杆组法。

2.3关于机构和杆组的基本知识

一个连杆机构，总可以看成是原动件与自由度为0的构件和机架相连而组成的。

原动件与机架组成的机构称为I级机构，如电动机，杠杆机构或斜面机构等；最简单的、不可再分的自由度为0的构件组称为基本杆组或称为阿苏尔组。

平面基本杆组应满足的基本条件为：

（2.1）

式中

——杆组中的构件数目；

——杆组中所含的低副数；

——杆组中所含的高副数；

——杆组的自由度数。

其基本杆组全由低副所组成，则基本杆组的条件为：

或

（2.2）

由于n和PL都应为整数，故组成基本杆组的条件为：

=2,

=3;

=4,

=6,……（2.3）最简单的平面基本杆组是由二个构件和三个低副所组成的，称为II级杆组，它是应用得最广泛的基本杆组。

由于平面低副中有回转副（用R表示）和移动副（用P表示）两种类型，对于由二个构件和三个低副组成的II级杆组，根据R副和P副的数目和排列顺序的不同，它具有表2-1中所示的五种型式。

除II级组外，还有III级、IV级等高级的基本杆组，表2-1中给出了两种III级杆组和一种IV级杆组，它们都是由4个杆件和6个低副组成的

表2-1II级及部分III、IV级基本杆组结构型式

杆组中含有构件及运动副数

杆组型式

N=2

P=3

二杆三副

（II级杆组）

（1）RRR

（2）RRP

（3）RPR

（4）PRP

（5）RPP

N=4P=6

四杆六副

（部分级杆组）

（1）III级杆组

（2）IV级杆组

2.4机构简图

2.41DCL对话框

对话框是操作者与计算机对话的工具，所以是必不可少的，我们的对话框是使用DCL语句所编写的，在其上可以选择所要的机构，其界面如图2-1。

图2-1DCL对话框

2.42常见机构及运动曲线图

机构记过演示能够得到许多有用的信息，如主要构件的位移，速度，加速度等。

我们能从这些数据中得到机构的运动形态和方式，下面为经过演示所得的图形，在这些图形中我们可以看到机构的形态，主要构件的运动形态等。

主要有以下几种结构形式：

图2-2为四杆机构及模拟运动曲线，用户通在AutoCAD环境下，通过人机交互输入方式画好机构并调用程序后，程序自动生成的机构简图并按运动参数动态模拟机构运动及是根据机构运动绘制的摇杆位移s，速度v和加速度a在转动一个周期

内的化规律。

图2-2四杆机构运动曲线图

图2-3为四杆滑块机构及其模拟运动结果机构的运动特性主要反映摇杆的位移s，速度v和加速度a的变化，调整几何参数，可获得不同的运动特性。

图2-3四杆滑块机构的运动曲线图

图2-4拉包机构的运动曲线图

第三章基于Lisp-AutoCAD下的机构运动实例

3.1平面机构运动分析

3.11运动分析的目的

机构的运动分析，就是根据给定的原动件运动规律，求出机构中其它构件的运动，即求出各构件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速度等运动参数。

其目的在于研究评价机构的运动及动力性能，或求出某些构件上特定点的轨迹，以确定机构的行程或外形尺寸。