摘要：汽车天窗的密闭性是研究汽车天窗首要考虑的问题，如今机器人检测渐渐地代替了人的检测工作。对于多自由度串联机器人来说，借助ADAMS机械系统动态仿真分析软件，可以大大简化计算工作，机器人的各运动学与动力学性能也可以通过仿真动画和数据图表直观地展现出来。本文以Es165d型6自由度工业机器人为原型，采用 ADAMS仿真软件建立了该机器人的虚拟样机并进行了运动学仿真研究。
1前言
1.1汽车天窗简介
本文中用到的汽车天窗检测机械手即机械手上安装传感器，可以将安装好的汽车天窗放置在检测位置（检测点分布如下图1所示）。让其在工作区域内进行运动，从而实现每个点的检测，但是机器手是怎样完成分布点的检测的，这就要对机械手运动进行轨迹规划。由于成品成本太高，故需要先研究机器人的运动学，然后利用仿真软件进行仿真。
图1 检测点的分布
1.2 传感器简介
1前言
1.1汽车天窗简介
本文中用到的汽车天窗检测机械手即机械手上安装传感器，可以将安装好的汽车天窗放置在检测位置（检测点分布如下图1所示）。让其在工作区域内进行运动，从而实现每个点的检测，但是机器手是怎样完成分布点的检测的，这就要对机械手运动进行轨迹规划。由于成品成本太高，故需要先研究机器人的运动学，然后利用仿真软件进行仿真。
图1 检测点的分布
1.2 传感器简介
我们知道自动检测系统的重要元件是传感器，传感器性能的好坏直接影响整个检测系统的性能。传感器的合格与否是由传感器检测系统通过检测传感器的性能指标来判断的，拥有高精度和高可靠性的传感器检测系统是从事传感器生产和经营企业一个重要的设备。工作流程为下图：
图2 传感器工作流程图
本传感器PY-2-C-010-XL0202的用途有检验距离、尺寸控制、转速与速度控制、计数及控制检测异常等，其功能是检验距离。
2.机器人运动学
机器人运动学的重点是研究手部的位姿和运动，一是根据机器人的各关节的转角或位移推算出机器人末端执行器的位姿，从运动学角度讲，即运动学正问题；二是根据机器人末端位姿计算出各个关节各自的转角或位移，即运动学逆问题。
机器人具体参数，见下表1。根据这些参数计算机器人正逆运动学，这里就不具体的阐述解决正逆运动学的方法。
图2 传感器工作流程图
本传感器PY-2-C-010-XL0202的用途有检验距离、尺寸控制、转速与速度控制、计数及控制检测异常等，其功能是检验距离。
2.机器人运动学
机器人运动学的重点是研究手部的位姿和运动，一是根据机器人的各关节的转角或位移推算出机器人末端执行器的位姿，从运动学角度讲，即运动学正问题；二是根据机器人末端位姿计算出各个关节各自的转角或位移，即运动学逆问题。
机器人具体参数，见下表1。根据这些参数计算机器人正逆运动学，这里就不具体的阐述解决正逆运动学的方法。
表1机器人参数
3.ADAMS的主要工作模块
3.1 ADAMS 简介
ADAMS（全称Automatic dynamic analysis of mechanical systems）提供强大的建模仿真环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，与其他CAD/CAE 软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能。MSC.ADAMS是世界上应用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具。这套完整的分析工具使工程师能够建立机械系统“虚拟样机”，分析性能，更好地理解系统的运动；比较多种设计方案，精确预测载荷变化，计算其运动轨迹、速度和加速度发布等。程序可与CAD、FEA（有限单元法）、CSD（控制系统设计）等软件双相连接，提供了零部件柔性、控制、液压等的建模能力，可行震动、耐久性分析和多目标、多参数实验设计。
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。其中基本模块是View模块和PostProcessor模块，通常的机械系统都可以用这两个模块来完成。
3.2三维几何模型的建立
3.ADAMS的主要工作模块
3.1 ADAMS 简介
ADAMS（全称Automatic dynamic analysis of mechanical systems）提供强大的建模仿真环境，能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析，与其他CAD/CAE 软件相比，具有十分强大的运动学和动力学分析功能。MSC.ADAMS是世界上应用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具。这套完整的分析工具使工程师能够建立机械系统“虚拟样机”，分析性能，更好地理解系统的运动；比较多种设计方案，精确预测载荷变化，计算其运动轨迹、速度和加速度发布等。程序可与CAD、FEA（有限单元法）、CSD（控制系统设计）等软件双相连接，提供了零部件柔性、控制、液压等的建模能力，可行震动、耐久性分析和多目标、多参数实验设计。
ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。其中基本模块是View模块和PostProcessor模块，通常的机械系统都可以用这两个模块来完成。
3.2三维几何模型的建立
三维几何建模通常采用两种方法：一种是在ADAMS/View模块中利用其自带的零件库来创建简单的零件；另一种是在CATIA、Pro/E和UG等三维造型软件中建立虚拟样机的几何模型再导入ADAMS/View中。
建模必须遵循以下原则：
（1）在各零部件间的相对运动表示清楚的情况下，根据运动副的选用原则进行化简，保证几何模型各零部件运动的正确性。
（2）当多个零部件相对固结时只用一个零件表示即可，以减少运动副数量，缩
短运动链长度来降低计算误差。
（3）在不影响各连杆之间相对运动的前提下，尽量简化机器人模型，以缩短建
模时间。
3.2.1建模过程
（1）根据上节几何模型的基本原则及汽车天窗检测机器人的各连杆结构和基本尺寸，在CATIA中建立其几何模型并进行装配。由于我们研究的是机器人各关节的运动轨迹，即各关节的角速度和角加速度变化情况。所以，在简化结构时可以将各连杆的所有部件跟连杆固结到一起而不必去过分追求机器人结构的细节部分，只需保证各运动关节间的
建模必须遵循以下原则：
（1）在各零部件间的相对运动表示清楚的情况下，根据运动副的选用原则进行化简，保证几何模型各零部件运动的正确性。
（2）当多个零部件相对固结时只用一个零件表示即可，以减少运动副数量，缩
短运动链长度来降低计算误差。
（3）在不影响各连杆之间相对运动的前提下，尽量简化机器人模型，以缩短建
模时间。
3.2.1建模过程
（1）根据上节几何模型的基本原则及汽车天窗检测机器人的各连杆结构和基本尺寸，在CATIA中建立其几何模型并进行装配。由于我们研究的是机器人各关节的运动轨迹，即各关节的角速度和角加速度变化情况。所以，在简化结构时可以将各连杆的所有部件跟连杆固结到一起而不必去过分追求机器人结构的细节部分，只需保证各运动关节间的
相对位置关系正确。机器人实物如图3所示，建立的机器人各运动部件如图4所示。
图3机器人实物
图4机器人模型
尽管建立的机器人各运动部件及整体外形与实际汽车天窗检测机器人有一定差别，但是从仿真角度来说，此差别影响机器人的质量属性，对驱动力产生影响而对各关节的运动轨迹没有影响，且简化的模型更利于后续约束和驱动的添加及运动参数的测量。
（2）进入 View 模块，设置好工作环境，点击File里面的Import按钮，导入所需要导入的模型。点击OK键，文件即可导入，本文所需导入的文件如图5所示，导入后的模型如图6所示。
图5 导入文件界面图
图 6导入后的模型
图3机器人实物
图4机器人模型
尽管建立的机器人各运动部件及整体外形与实际汽车天窗检测机器人有一定差别，但是从仿真角度来说，此差别影响机器人的质量属性，对驱动力产生影响而对各关节的运动轨迹没有影响，且简化的模型更利于后续约束和驱动的添加及运动参数的测量。
（2）进入 View 模块，设置好工作环境，点击File里面的Import按钮，导入所需要导入的模型。点击OK键，文件即可导入，本文所需导入的文件如图5所示，导入后的模型如图6所示。
图5 导入文件界面图
图 6导入后的模型
（3）添加约束和驱动。包括：1 个固定副（基座与地面）；5 个旋转副（5 关节），分别是基座和腰部关节、腰部和大臂关节、大臂和小臂关节以小臂与腕部、及手部的转动关节以及俯仰关节；最后为各个运动副施加旋转驱动。
（4）机构自检。进行仿真之前，利用 Tools 菜单中 Model Verify 命令对模型进行检查，信息中显示 “Modelverified successfully”说明运动学模型建立正确，可以进行运动学仿真分析。从显示信息窗口可以得到模型的重要信息，包括零件和运动副的数量、类型，同时也列出了模型的自由度。样机模型检测结果图如图7所示。
汽车天窗 图6 样机模型检测结果
3.32基于ADAMS的6自由度机器人多刚体模型运动学分析
ADAMS/View 环境运动学正解仿真分析输入各关节驱动函数：
腰关节
；
肩关节：
；
（4）机构自检。进行仿真之前，利用 Tools 菜单中 Model Verify 命令对模型进行检查，信息中显示 “Modelverified successfully”说明运动学模型建立正确，可以进行运动学仿真分析。从显示信息窗口可以得到模型的重要信息，包括零件和运动副的数量、类型，同时也列出了模型的自由度。样机模型检测结果图如图7所示。
汽车天窗 图6 样机模型检测结果
3.32基于ADAMS的6自由度机器人多刚体模型运动学分析
ADAMS/View 环境运动学正解仿真分析输入各关节驱动函数：
腰关节
；
肩关节：
；
肘关节：
；
腕关节仰俯运动：
；
腕关节翻转运动：
；
腕关节相连的传感器：
设置仿真时间5s，仿真步数 500。各关节变量
位置曲线如图7-图11所示。手部末端chuanganqi_cm点相对于机器人基座坐标系分别在X、Y、Z方向的位移、速度、加速度曲线及合成曲线如图6所示。
图7 Motion1速度、加速度曲线
图8 Motion2速度、加速度曲线
；
腕关节仰俯运动：
；
腕关节翻转运动：
；
腕关节相连的传感器：
设置仿真时间5s，仿真步数 500。各关节变量
位置曲线如图7-图11所示。手部末端chuanganqi_cm点相对于机器人基座坐标系分别在X、Y、Z方向的位移、速度、加速度曲线及合成曲线如图6所示。
图7 Motion1速度、加速度曲线
图8 Motion2速度、加速度曲线
图9 Motion3速度、加速度曲线
图10 Motion4速度、加速度曲线
图11 Motion5速度、加速度曲线
图12关节6的传感器质心的位置，速度，加速度图
结论
本文通过对汽车天窗检测的需求，建立了一个六自由度关节机器人的虚拟样机，并对其进行运动学仿真分析研究，通过研究我们可以看出，ADAMS软件自身带有强大的测量和曲线分析能力，这样使机器人的运动学的分析更加的方便，快捷，而且更为直观，给我们带来很大的便利。本文中，虽然我们仿真出了传感器检测的路径，但我们仍需要努力的做出最优化的路径仿真，所以下一步我们就是要出最优路径，然后将其仿真出来。
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