simpack动力学教程高级
最新的simpack学习资料！包括了铁路模块建模的较详细描述！为数不多的simpack学习资料！参考文献…316第1章绪论11背景介绍铁路的发展历史已绎将近一个世纪,现代轨道车辆应用最为广泛的就是旅客和货物运输。近二十年来,随着科技技术的迅猛发展,轨道车辆面临着髙速运行、降低能耗和缩减运营费用等迫切要求。由于车辆运行速度的不断提高,安仝和舒适度是人们一直关心的核心问题。这就对髙速列车的车辆的动力学特性设计提出了更为严格的要求,需要探明一系列影响列午运行安全的关键问题,诸如如何有效识别影响午辆舒适度和脱轨问题的动力学参数匹酉问题等,以便确保列车良好的安全特性。当然,对于车辆运行的舒适度和平稳度等问题,可以通过控制振动源和噪声源进行有效改善;对于脱轨和蛇形运动问题需要了解车辆的轮轨参数匹配和其他动力学特性参数设置。轨道车辆一般包括两种形式:一种是集中动力式列车,它主要由机车和车辆组成,机车负责牵引,木身并不载运旅客和货物,载运的任务主要由车辆承担;另一和就是分散动力式列车,常见的就是动车组,没有专门的机车提供动力,每节或几节车辆均具有牵引动力。从车辆动力学的角度看,机车和车辆具有相似的振动特征,而轮轨系统是车辆动力学分析的核心内容。车辆是具有弹簧悬挂和减振器等装置的多自由度振动系统,在运行过程中会产牛各种复杂的振动特性。而这些复杂的振动是由若干基本形式的振动组合而成。如今车辆逐步发展成为札械、力学和控制相互耦合的大系统,整夲的动力学特性的奷坏直接影响着夲钠运行的安全和舒适度。由于计算多体力学的进步和计算机软硬件技术的发展,人们可以通过并行⊥程仿貞的技术,建立详细的轨道车辆数学和物理计算模型,考虑各种复杂的边界条件因素,有效地硏究车辆动丿学性能,开发出高质量的新产品,提出列车运行的安全准则,因此车辆动力学的分析软件必然会在现代轨道车辆的研制过程中发挥越来越重要的角色,动力学分析涉及到内容主要包括如下几点:蛇形运动模拟,蛇形运动是轨道车辆在行驶过程中的一种特殊的现象,即当列车行驶时,突然出现车体和转向架开始剧烈左右偏转的不稳定振动现象。它容易导致车辆舒适度降低,出现破坏轨道,甚至发生脱轧、倾覆等安全事故。曲线通过能力计算如何保证车辆的良好曲线通过能力,使得车辆在曲线通过时,车轮对于轨道的横向作用力最小?舒适度评价车辆在各种复杂环境因素条件下的舒适度,诸如在轨道随机激励和冲击、设备振动、启动/制动、气动影响、高速会午,进出隧道压力波等条件下的车辆舒适度评价。脱轨和倾覆安全性评定研究保证车辆在高速运行吋不会脱轨机制,以及如何保证车辆在曲线通过时槓风的作用下防止车辆倾矍的问题。车辆被动和主动悬挂设计方式的选择悬挂方式的优化,以及如何有效地将控制技术应用在列车或车辆的动力学控制系统设计中,通过控制技术的运用,提高列车运行的安全性和舒适度。1.11铁路动力学分析软件的比较下血首先对国际上铁路领域流行的主要车动力学分析软件徹一个简单的介绍。o ADAMS( Automatic Dynamic Analysis of Mcchanical Systcms )/Rail ExftADAMS/Rail软件包是目前铁路车枘系统动力学数值分析的主流分析软件之ADAMS是由关国MDI公司于1980年推出的机械系统仿真软件,1993年,MDⅠ公司与荷兰铁路技术咨询公司合作,将现代轮轨动力学理论的计算方法逐步引入到软件中。1995年ADAMS/ Rail开始正式进入铁道车辆动力学分析领域。1996年MD公司与 Arge Care公司合作,采用 MEDYNA( SIMPACK公司的前身)软件的轮轨接触元素,2002年与英国的AEA公司( VAMPIRE软件的拥有者)形成战略合作关系,进一步增强了轮轨的计算能力。2002年MDⅠ公司为 MSC Software公司收购,并且逐步融入MsC的软件系统,在轮轨接触问题和计算速度上都有所提高, ADAMS软件在2005年前后被德国 Vi-Grade公司接管,软件开发日前进展不大。AMPIRE(Ⅴ ehicle dyn Amic Modeling Package In a Railway Environment)软件由英国铁路道比研究所1989年推出的 VAMPIRE软件,是专门针对铁路机车车辆系统开发的,软件具有自动建模功能,能够完成包括轮对模拟、蠕滑丿计算、轨道曲线、轨道不平顺输入以及动力学特性预测,程序也可以考虑刚体的模态。软件采用相对坐标系,通过人杋对话的方式来定义机车车辆结构的几何尺寸和参数,也可按规定格式输入数据文件,利用建模子程序,自动生成用矩阵形式表示的系统运动方程,給分析计算提供统一的模型。VAMPIRE建模比较方便,计算效率高,但仅能用于不带刚性约束的车辆系统分析计算,VAMPIRE侧重客车系统建模,计算功能全面。同样可以实现包括动力学、特征值、频域、随机振动、付或积分等计算分析及数据和图形、动画的后处理功能● NUCARS( New and Untried Car Analytic Regime Simulation)软件NUCARS软件是由北美铁路协会(AAR)下属的普耶勃罗试验中心(TC)开发的,其1.0版本在1989年面世, NUCARS软件也是应用多体系统动力学方法采用相对坐标系进行机车车辆系统的自动建模,由于其针对以货车为上的铁路机车车辆进行模拟计算,因此程序中嵌入了货车所特有的斜楔减振器以及心盘、旁承等摩擦模块,而且程序不像 MEDYNA那样庞人, Version2.1及以前版本的机车车辆系统数据准各均在文本环境竟中进行,在: Version23的版本中增加了较强的可视化前后处理功能。 NUCARS软件能够考虑玍体的一阶模态,可以进行车辆系统的时域内的动力学数值积分分析,其缺点是不便于求解特征值问题。●UM( Universal mcchanism)软件UM软件( Universal mechanism(简称UM))是俄罗期新一代的机械系统运动学力学仿真分析软件,通过建模求解,可以分析多体系统的振动特性、受力及位移、速度、加速度等参数,进而预测复杂多体系统的运动学动力学性能。它是由俄罗斯布良斯克国立理工大学( Bryansk State Technical University) Dmitry Pogoreloⅴ教授为团队研发的动力学分析软件UM是目前俄罗斯和部分东歐国家通用的机械动力学/运动学仿真分析软件之一。俄罗斯轨道车辆生产企业90%以上的车辆动力学仿真分析工作是使用UM完成的。UM的突出特点表现在:具有高效易用的前后处理功能,并支持并行计算技术;模坎众多,如汽车模块、铁道车辆(包括杋车、客车和货车〕模块、列车模垬、疲劳分析模垬及优化模块,还设有CAD软件、有限元软件及控制软件的接口;功能强人、适用性强,其子系统建模技术、冈柔耦合系统建模技术、强大的轮轨关系处理功能(如实时绘制轮轨两点接触作用力的曲线等)都使其具有良好的应用前景;UM软件还在轨道车辆的动力学研究中不断探索,如UM4中的道碴模型经过疒级后,可以硏究罐车的液固耦合振动问题,还可以研究运煤敞车、粮食漏斗车等散装物运输货车的压力分布。UM5已经丌始考虑车桥耦合振动问题。模型修改非常方便、计算速度较快。此外,UM软件还在内部嵌套了人量的便用功能,如计算器、滤波器等,使用非常方便。对计算三大件式转问架货车及机车的动力学性能来说,具有一定的优势。● Gensys及其他软件Ansys软件目前在车辆动力学的分析中也较为广泛,但是相对而言,资料比较缺乏,所以这里不再详细介绍。其他的还有很多国家相继研发了轨道车铟的动力学分析软件。这里仅介绍部分专业软件。具体如A’GEM( Automatic Generation of Equations of Motion)软件是由加拿大的 Queens University机械工程系硏制的。其轨道乍辆模块使用 AutoCad的图形界面,程序使用DOS执行处理的模块,可以计算轨道车辆的稳定性、舒适度、曲线通过性能,还可以计算其他轨道车辆的动力学性能。但是其在图形用界面、时频分析以及动画方面还有待改进。世南交通大学牵引动力国家重点实验室也相继廾发了 TPL Train的列车动力学分析软件和其下属列车线路研究所开发的“车辆轨道垂冋相互作用仿真分析系统ⅵCT”和车辆-轨道空间耦合动力学仿真软件系统 TTISIM软件”等铁路玍辆专业软件分析包。前者主要用于面对列车的纵向、横向和垂向动力学进行系统模拟研究;后二者主要用于研究机车车輖对轨道结构的动力作用问题,以及机车车辆在实际弹性轨道上的运行安全性与平稳性,只有很强的专业性正如基础教程中所介绍的那样, SIMPACK软件是国际著名的机槭系统运动学/动丿学仿真分析软件,其轮轨模块最新的市场占有率更是占有超过近60%的国际市场份额。其所具备的分析内容可以包括:整车系统振动特性、各部件的受力状况、加速度等:描述并预测复杂多体系统的运动学/动力学性能。轮轨模块〔包括:常规 wheel/rail模块、道岔分析模块和最新开发的轮轨磨耗(wear)预测模块)是德国宇航中心(DLR)集合20多年来轮轨接触模拟的经验和现代先进的模拟技术及常用模拟工具于一体的技术结晶,也是当前先进铁路车辆动力学仿貞软件的先驱之由于 SIMPACK软件立足自身开放性和非常灵活的建模概念,使其无论从独立轮对还是乍辆主动/被动控制系统,都可以支持设计者自由的设计思想,使得设计者能将更多的精力投入到只体设计工作的创新中。利用它人们可以对铁路复杂系统的动力学特性进行综合的仿真分析。 SIMPACK软什还具有和有限元分析(FFA)、 CAD/CAE以及CACE(控制)等软件的接冂程序,具有友好的操作界面,功能强大。且其轮轨模块经过大量铁路车辆试验验证具有很高的仿真精度和效率,长期不懈的努力和技术创新使得 SIMPACK已经成为国际上铁路领域多体系统动力学仿真工具领域的领导者之一。 SIMPACK的特色主要包括:(1)已经成为国际铁路行业设计标准的制定者目前为止,全球至少有100多种著名型号的跨国公司的轨道车辆是在 SIMPACK的帮助完成的设计,因此 SIMPACK软件凵经成为了目前全球铁路车辆系统动力学仿真的标准廾发工具。在DLR拥有20多名国际著名的铁路专家长期进行 SIMPACK软件的轮轨接触模型的开发,并进行了大量的匚程领域动力学分析的试验验证工作(2)不断创新,采用全新的轮轨接触模型。最新版本的 SIMPACK轮轨模块的具体特点在下一章节进行介绍。12 SIMPACK轮轨模块特点目前最新的 SIMPACK版木8900中具有全新的轮轨接触模型特点,木文主要还是以8800作为主要的软件进行介绍1)轮轨接触力采用新的计算方法计算轮轨接触斑上的接触力,获得车轮的法向力和导向力,它可以通过采用车轮和钢轨运动学约束模型荻得有效的计算结果,而不是传统的接触弹簧阻尼系统来计算得到,这样的优点在于其可以有效考虑轮轨之间的高频接触振动。而实际状况中,含有高频成分的车辆振动行为影响会人人降低时域内积分的步长,但是对于在给定精度内的动力学性能影响不大。因此采用的运动学约束计算方法可以大大地提高动力学计算的速度和精度,从而使得 SIMPACK快速满足行业的应用需求,并能使得其达到期望的水平。SIⅠ MPACK软件采用完全递归的计算方法,以及在相对坐标系中建立运动方程的算法,使其在计算轮轨接触时,可以建立最小数目的约束方程。同时 SIMPACK高效的建模操作和仿真速度,使SIMPACK成为铁路行业仿真分析的领导者。当然,也可以选择用传统的接触弹簣-阻尼模型取代运动学约束模型,来建立轮轨之问的接触关系。2)摩擦力SIMPACK提供了许多模拟轮轨之间的摩擦力的不同方法,最常用的就是 Kalker的简化非线性滚动接触理论,可以在计算结果和仿真精度方面取得较好的统一。软件中凵有用来建立自定义的轮轧摩擦的模块,可以很方便地在 SIMPACK中自定义轮轨接触模型,即允许用户来添加用户化的程序和内部算法到摩擦模型库中。3)等效线性化接触为了满足铁路车辆用于线性计算的)法,例如计算特征值或频域响应分析,需要一个等效线性化的轮轨接触模型。 SIMPACK带有一个高度自动化并经过大量试验验证的轮轨接触线性化模型,即等效线性化和协函数线性化。同时 SIMPACK也提供了利用输入笔效锥度和其它参数的方法来建立线性化模型的选项接触模型的特色:●可以对炣个车轮模拟三点及多点接触(踏面、轮缘和车轮背面);方便地选择不同的接触模型:釆用约束模型-极快的积分速度:单侧的弹簧阻尼模型-允许车轮抬起。考虑轮和轨的弹性,保讦了接触点处理的稳定性(DLR开发的方法);利用 Kalker理论计算切向力,也可以利用其它的(例如 Polach接触)或自定义的轮轨接触模型;摩擦系数和线路距离,车轮外型坐标以及接触点的相对速度有关;轮轨外型没有限制(标准和实测的)可以模拟滚动实验台的试验●简便的线性化的接触函数(等效线性化,协函数线性化)可以计算所有的相关的参数,如车轮力、滑动摩擦系数、接触斑的尺寸大小等;4)具有丰富的车辆建模元素数据库SIMPACK轮轨模块中的建模元素,以及用于建立多体系统中的标准元素是完全兼容的。在软件使用过程中,人们可以利用软件实现参数化和子结构建模,扩展轮轨的模型库快速地建立铁路系统的模型,另外可以利用 SIMPACK对预定义的模型结构。 SIMPAOκ提供了良好的灵活性来文持用于现代铁路系统解决方案的仼何边缘技术。所有车辆部件或线路均可以处理成弹性体,尤其是舒适度分析时,考虑车体的弹性十分的必要。轮对和转向架的弹性也可能对车辆的动力学性能产生很大的影响。目前在 SIMPACK中有两种方法可以处理结构的弹性。利用 SIMBEAM模块来建立结构的弹性;从FEA软件中输入弹性零部件SIMPACK中有一个具备典型铁路车辆的建模圹展库,例如空气弹簧、高圆弹簧和摩擦元素等,任何个元素均可以根据需要进行参数的优化。在 SIMPACK中,所有用于铁路车柄的特殊元素和通用机槭系统的建模元素可以完仝兼容,因此简单的铁路车辆模型可以很方便地扩`展成现代的摆式车和径向转向架模型。通过一个附加的界面友好的轮轨模块中心窗口,就可以得到所有的铁路模型参数。然后通过这个窗口对车轮钢轨的外形尺寸、车辆轮对的车轮半径、线路超高等所有的参数进行修改。设计者还可以充分利用 SIMPACK已有的现成模型,例如两轴客车转向架。货车转向架和单轴转冋架,利用这些标准模块,根据需要改变这些模板中的设计参数,建立自定义的模型。无论是传统的轮对还是独立的轮对,轮轨模垬提供了很多种解决方法,所冇这些都被无缝集成在通用机械的多体分析系统中车轮或独立车轮没有限制车轮装忾●弹性车轮(FE模型的集成)●非正常车轮和多边形车轮几乎任何一个 SIMPACK软件版本中使用的建模儿素都可以添加到数据库中,不仅在几种车辆中可以使用同一种结构形式的转向架,而且任何一个建模细节,例如一个车体元素、空气弹簧、止挡、牵引系统和抗侧滚扭杆等,都可以当成一个独立的给定子结构。对」子结构的修改将会影响到所有的和其相关的主模型,除非选择了在模型中包括子结构,以保讦它不会改变。5)线路定义、轨道不平顺及踏面外形在 SIMPACK的轮轨模块中,线路的定义是通过一条整体线路,然后叠加不平顺线路来生成,它们可以单独处理和生成。线路模型不仅可以包括轨道,而且可以包括线路的不平顺、线路的弹性以及轨道子结构。条完整的线路可以利用标准库中的元素(曲线通过吋的进入、驶出、道岔等参数)和其他少量的参数,如长度、半径和线路界面的超高来定义。直线和曲线端π以根据需要进行连接,可以在维控制窗口中绘制曲线,并自动转换为三维图形表示。另外,对于实测的轨道数据如垂冋和水平曲率、线路超高等都可以直接从文件中读入到模型中软件中可以利用的三种类型的不平顺:确定性函数(正弦、阶跃和锯齿函数),随机函数(用PSD定义)以及给定的溦扰函数(根据现场实测的衣格格式的数据)。不平顺可以独立地作用在每一侧钢轨上,也可以做成一条随两股钢轨轨矩变化的函数。最后为了扩展已有的标准外形库,任意的午轮和钢轨外形是利用一个专门的前处理程序来完成,即利用样条函数来拟合截面的外形,并将其处理成仿真用的数据。截面的外形数据可以用来实际测量的保存为ASCⅡ代码格式的表格形式。其他的特点还包括SIMPACK中的轮轨建模能够实现所有参数化采用标准的线路形式:直线、曲线(考虑进出曲线)S-曲线轨道及道岔等输入实际运行线路图;●线路不平顺(轨道文件输入的ASCⅡ烙式,或者采用功率谱密度PSD多项式形式);●轨枕和或钢轨的弹性扣件;不同的钢轨外形(沿车轮的纵向位置);●每个车轮可以允许有三点接触的转辙(道岔)进行实际线路的滚动试验台的模拟;●考虑线路弹性。6)轮轨的应用领域SMPA(K软件最新版本的轮轨模块可以解决目前几乎所有的铁路车辆的动力学仿真问题,满足在频域或吋域中车辆动力学仿貞计算。每个使用者都可以快速和方便地分析自己建立的动力学模型,这一点对缩短车辆新产品的开发周期也是非常必要的。基于特征值的动力学分析计算模块,可以计算荻得车辆的稳定性轨迹计算。这也是 SIMPACK软件系统的一个标准的通用后处理工具;通过时域积分计算可以计算获得车辆的稳态及动态曲线通过时的可靠计算结果。而且可以对参数化的樸型进行不同的参数变化,研究不同的设计方案(1)对含有轨道不平顺的线路的时域分析中,主要仨务可以包括:车辆乘丛舒适度曲线通过的性能稳定性;轮轨作用力;部件失效;脱轨;●可靠性等。(2)准静态分析(曲线通过性能的分析)(3)线性特征值分析(4)线性系统的分析频率响应,功率谱线性稳定性图(5)参数变化研究及参数优化(6)独有的转辙(道岔)动力学分析(7) SIMPACK新版本的其他几个突出的应用:①车桥耦合SIMPACK软件可以将由有限元描述的弹性桥梁结构引入到 TRACK中,并进行复杂的车桥耥合分析。冋时可以进行道岔分析(也称转辙分析)。这个轮轨模块的新特点也是冋类软件中,目前唯一可以处理和模拟道岔复杂的动丿学问题的分析软件。车辆的道岔动力学分析与常规标准的轮轨分析主要有两个显著的区别:钢轨的外形必须是线路坐标的函数;除踏面和轮缘接触外,在轮缘的背面和导轨、冀轨之间存在接触。为了定义道岔,在 SIMPACK中采用了一个专门的特殊程序,将沿钢轨界面测量得到的钢轨的外形以ASCⅡ的文件格式数据保存,处理成近似的钢轨的外形,并自动产生道岔全三维的外形②悬链系统通过和德国铁路的悬链仿貞⊥具 Prosa的协同仿貞, SIMPACK可以模拟扃速铁路的悬链系统。这样的好处是可以有效地模拟车猁受电弓的动力学特性,使得模型的动力学分析结果更加准确。同时,在车锕动力学模型中将会考虑悬链系统的柔性、控制系统和受电弓等因素的综合影响。经过大量的实际线路的试验验证,可以保证 SIMPACK软件是一个高度实验化的可靠的仿真软件。另外,利用 SIMPACK强大的弹性体处理和接触技术(包含弹性体几何刚度非线性)可以直接利用 SIMPACK软件自身建立悬链系统,在国内外已有应用的案例。③流固耦合SIMPACK软件的最新版本中已经成功地解决货车振动与罐中液体之问的非常复杂的流固耦合的作用。④参数化微分方程的计算需要进行一系列大量的参数优化计算。由于其独特的算法和快速的求解器可以实现参数化,计算过程的控制结构的后处理的自动化。由于 SIMPACK软件开放和先进的数据结构以及大量的和其他软件的接∏,使得它可以成为伴随铁路车辆系统的和设计创新的有利工具。利用 SIMPACK先进的模拟环境,可以保持产品的领先和创新,并具有竞争力成为可能。1995年 SIMPACK最早实现从FEM软件中引入蝉性的车体,加上自身强大的轮轨接触建模和高效的求解器的能力,保证了采用轻量化车体结构的高速列车的舒适度。现在全球许多铁路客户已经丌始使用其FE模态来实现舒适度的动力学计算,为产品降低风险和成本SⅠ MPACK具有通过自身的控制模块和CACE软件例如 MATLAB/Simulink或自己编制的程序来实现杋械系统和控制系统的协调仿真,从而使得现代轨道车辆利用虚拟样机概念向摆式系统驱动系统以及创新的驱动系统方向提供了条件。⑥模型验证轮轨模块重点放在髙水平的车辆动力学仿貞精度上,特别是如何改善轮轨接触模型的建模能丿。 SIMPACK的计算结果都是通过一系列的标准考题(比如ERRI考题; IAVSD考题以及曼彻斯特考题等)和实际测量的数值结果进行严格的验证。最主要的结论也是通过ERRI(欧洲铁路研究所)以及德国铁路管理部门联合进行分析和实验结果的相互验证后待出的结果。实验的方案,⊥要是针对不同类型的货车和一个三节车组成的货物列车进行了大量的反复试验比较,轮轨导向力和轮对的主要动力学分析指标的试验结果和分析计算结果有很好的吻合。另外德国慕尼黑的铁路车辆滚动实验台以及DLR开发的1:5的比例滚动台上进行了大量的试验验证。同时,在每次推出软件新版本的功能开发后,都会进行不同的转向架模型的对比计算和试验。除了 SIMPACK自身的轮轨接触模型试验外,铁路车辆的一些主要的部件和子系统的模型都在进行不同课题内容的重点研究,例如可控的单个车轮的悬挂系统和新廾发的悬链系统(接触网)的饼究等13动力学软件在工程中的应用多体系统动丿学分析软件的主要应用领域还是在车辆动力学的工稈问题研究。目前在国内外机械动力学系统的发展中,动力学分析已经和有限元分析、控制系统等多个并行上程相互结合补充和优化,克服在结构动态设计中很多机械系统纯力学机制存在的缺陷问题,如可以减少因为动载荷过大导致的各种能量损耗、噪音和结构磨损及其他尖效问题的产生。下面结合国外部分文献对国内外部分铁路车锕动力学的发展和应用进行简单地阐述。可以说在这些铁路车辆新产品的每一步开发中几乎都离不开 SIMPACK的帮助。具体如图1.1-1.7所示。199420002007Non linear kinematicsFlexible body simulation New SIMPACK Rail图1. I SIMPACK在铁路产品中开发应用( SIMENS)Verification Behavior of a realistic vehicleModelArticulated train96 degrees of freedom175 force elementss 2 bogies with wheelsets2 bogies with independent wheels1 suspended car bodyScenarios: Non-irearlow-speed narrow CLwith twisthigh-speed curve withunbalanced lateralaccelerationtangent track withstochastic irregularitiess-curve图1.2列车模犁及其采用的元素情况10
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工业机器人控制轨迹规划及编程
wei简单的介绍了工业机器人控制轨迹规划和编程课程，可以参考下，开拓思路山东建筑大学备课纸第七章工业机器人的轨迹规划及编程轨迹规划轨迹规划是指根据作业任务要求,确定轨迹参数并实时计算和生成运动轨迹。它是工业机器人控制的依据,所有控制的目的都在于精确实现所规划的运动。机器人语言机器人具有可編程功能,因此需要用户和机器人之间的接口。为了提高编程效率,岀现了机器人编程话言,它以一种暹用的方式解决了人一机通信问题。机器人离线编程机器人离线编程系统是利用计算机图形学,建立机器人编程环境,从而可以脱离机器人工作现场进行编程的系统。由于不占用机动时间,提高了设备利用率。而且由于离线编程本身就是 CAD/CAM一体化的组成部分,有时可以直接利用CAD数据库的信息,大大减少了编程时间,提高了编程水平。7.1工业机器人的轨迹规划引言指定工业机器人执行某政接作作[加些约束条住轨迹的划和协关节坐标空间斗标空间轨迹规划涉及卜面三个问题◇要对机器人的任务进行描述,即对机器人的运动轨迹进行描述。◇根据所确定的轨迹参欻,如何在计算机内部描述所要求的轨迹。这主要是选择习惯规定以及合理的软件数据结构问题。◇对内部描述的轨迹进行实际计算。通常是在运行时间内按一定的速率计算出位置、速度和加速度,生成运动轨迹。二、轨迹规划的一般性问题工业机器人的作业可以描述成工具坐标系{相对于工作坐标系{S的一系列运动:图7-1作业的措述工具坐标系相对于工作坐标系的运动来描述作业路经把作业路径的描述与具体的机器人、手爪或工具分离开来,形成了模型化的作业描述方法。从而使这种描述既适用于不同的机器人,也适用于同一机器人上装吏不同规格的工具:2凯器具的症置程上置机器人从初始状态运动到终止状态的作业,看成是工具巫标系从初始位置T0}变化到终止位置Tf}的坐标变换变换包含了工具坐标系的位置和姿态的变化。在轨迹规划中,也常用“点”这个词来表示机器人的状态,或用它来表示工具坐标系的位姿。当需要更详细地描述运动时,不仅要规定机器人的起始点和终止点,而且要给出介于起始点和终止点之间的中间点,也称路径点运动轨迹除了位姿约束外,还存在着各路径点之间的时间分配问题。例如,在规定路径的同时,必须给出两个路径点之间的运动时间机器人的运动应当平稳,不平稳的运动将加剧机械部件的磨损,并导致机器人的振动和冲击。钪迹规划既可在关节■空间中进行,也可在直角坐标空间中进行。在关节空间中进行轨·迹规划是指将所有关节变量表示为时间的函数,用这些关节函数及其阶、三阶导数描述机器人预期的运动。在直角坐标空间中进行轨迹规划,是指将手爪位姿、速度和加速度表示为时间的函数,而相应的关节位置、速度和加速度由手爪信息导出三、关节空间的轨迹规划机器人作业路径点通常由工具坐标系(}相对于工作坐标系{S)的位姿来表示,因此,在关节空间中进行轨迹规划4≯首先需要将毎个作业路径点向关节空间变换,即用逆运动学方法把路径点转换成关节角度值,或称关节路径点;然后,为毎个关节相应的关节路径点拟合光滑函数;这些关节函数分別描述了机器人各关节从起始点开始,依次通过路径点,最后到达某目标点的运动轨迹。由于毎个关节在相应路径段运行的时间相同,这样就保证了所有关节都将冋时到达路径点和目标点,从而也保证了工具坐标系在各路径点县有预期的位姿;关节空间的轨迹规划:关节空间中进行轨迹规划,不需考虑直角坐标空间中两个路径点之间的轨迹形状,仅以关节角度的函数来描述机器人的轨迹,计算简单、省时;关节空阃与直角坐标空间并不是连续的对应关系,关节空间内不会发生机构的奇异现象,从而避免了在直角坐标空间规划时所出现的关节速度失控问题;在关节空间进行轨迹规划,规划路径不是唯一的。只要满足路径点上的约束条件,可以选取不同类型的关节角度函数,生成不同的轨迹。1.三次多项式插值当己知末端操作器的起始位姿和终止位姿时,庄逆向运动学,即可求出对应于两位姿的各个关节角度。因此,末端操作器实现两位姿运动轨迹描述,可在关节空间中用通过起始点关节角和终止点关节角的一个平滑轨迹函数0(t)来表示;为了实现关节的平稳动,每个关节的轨迹函数(t至少需要满足四个约束条件:两端点位置约束和两端点速度约束端点位置约束是指起始位姿和终止位姿分别所对应的关节角度00=已为满足关节运动速度的连续性要求,在起始点和终止点的关节速度简单地设定为零,即(0=06()=0上述给出的四个约東条件可以唯一地确定一个三次多项a(t)=a0+a!t+a22+a3t3运动过程中的关节速度和加速度则为:9()=a1+2a2!+3agt2(t)=2a2+6at为了求得三次多项式的系数,代以给定的约束条件,有方稈组分=a+at+a+aD-dt 2u r t ja rl求解上述方程组,可得3所以,对于初速及终速为零的关节运动,满足连续平稳运动要求的三次多项式插值函数为a(r=6+(-2--)其关节角速度和角加速度表达式为()-是2(明,-一吾(,-8F6()=是(4-)-;-r三次多项式插值的运动轨迹曲线!图7三践康式插值毛动轨遗)位瞎时刺雙:{)急澧时繭线:C)鱼加速度间曲线2.过路径点的三次多项式插值机器人作业除在A、B点有位姿要求外,在路径点C、D…也有位姿要求。对于这种情況,假如终端执行器在路径点停留,即各路径点上速度为0,则轨迹规划可连续直接使用前面介绍的三次多项式插值方法;但如果只是经过,并不停留航需要将前述方法推广。AB仨某段路径上,“起始点”为θ0和ω0,"终止点"为f和ωf。这时,确定三次多项式系数的方法与前面所述的完全一致,只不过是速度约束条件变为e(0)=me(r)=a利用约束条件确定三次多项式系数,有下列方程组:9=0+ax+口+aa,=a1+2a+3求解方程组3+出)=02)+七《+路径点上的关节速度,可出以下任一规则确定如果机器人末端操作器在经过路径点时冇速度要求,则可以利用此路径点上的逆雅可比矩阵,把该路径点的直角坐标速度转换成关节坐标速度。轨迹规划时则以此作为速度约来条件。如果某个路径点是机器人的奇异点,即此点的逆雅可比不可求,这时就无法求关节速度了;此外,在求各点关节速度时,要逐点计算逆雅可比矩阵,并依此计算关节速度,耗时较多。路径点上的关节速度,可由以下任一规则确定由控制系统采用某种启发式方法自动地选取合适的路径点速度。用三次多项式插值前,先假设各路径点之间关节运动速度是均匀的,即图中所示用直线段将这些路径点依次连接起来。规则选定:如果桾邻线段的斜率在路径点处改变符号,则速度选为零;如杲相邻线段斜率不改变符号,则选取路径点两侧的线段斜率的平均值作为该点的速度。因此,只要给定路径点,系统就能依此规则自动生成相应的路径点速度路径点上的关节速度,可由以下任一规则确定斗按照保证毎个路铚点的加速度连续的原则,由控制系统自动地选择路径点的速度。为此,可以设法用丙条三次曲线在路径点处按一定规则连接起来,拼凑成所要求的轨迹。拼凑的约束条件是:连接处速度连续,而且加速度也连续。7.2工业机器人的编程机器人编程方式机器人编程,是针对机器人为完某瓊作亚进拉程序投复的人的吧4国和力与编国性定环境中作诀上式有大关作业能方微计算机近自然路司匿人与机器实现各种机器人揉作机器人编程方法三种形式1、示教编程操作者必须把机器人终端移动至目标位置,并把此位置对应的机器人关节角度信息记录进内存储器,这是示教过程。当要求复现这些运动吋,顺序控制器从内存读岀相应位置,机器人就可重复示教时的轨迹和各科操作,这是再现过程。手把手示教」示教盒示教于把手示教要求用户使用安装在机器人于臂内的操纵杆,按给定运动顺序示教动作内容。示教盒示教则是利用装在控制盒上的按钮驱动机器人按需要的顺序进行操作示教编程优点:只需要简单的设备和控制装置即可进行。操作简单,易于掌握。示教再现过程很快,示教之后马上即可应用。示教编程缺点:编程占用机器人的作业时间艮难规划复杂的运动轨迹以及准确的直线运动;难以与传感信息相配合难以与其他操作同步;2、机器人语言编程实现了计算机编程,并可以引人传感信息,从而提供一个更通用的方法来解决人一机器人通信接口问题。目前应用于工业中的是动作级和对象级机器人语3、离线编程用通用语言或专门语言预先进行程序设计,在离线的情况下进行轨迹规划的编程方法。离线编程系统是基于CAD数据的图形编程系统。由于CAD技术的发展,机器人可以利用CAD数据生成机器人路径,这是集机器人于CIMS系统的必由之路、机器人语言编程早期的工业机器人,由于完成的作业比较简单,作业内客改变不频繁,采用鬥定程序控制或示教再现方法即可满足要求,不存在语言问题。机器人木身的发展,计算机系统功能日益完善以及要求机器人作业内容愈加复杂化,利用程序来控制机器人显得越来越困难编程过程过于复杂,使得在作业现场对付复杂作业十分困难。述北一一用机器人语言→[控制机器人动作(一)机器人语言的发展概况1973年,斯坦福大学人工智能研究室美国IBM公司1979年,美国 Unimation公司80,美国 Automatrix公司80,美国麦道公司(二)机器人语言的分类1、根据作业描述水平的高低分(1)动作级机器人语言VAL◆以机器人手爪的运动作为作业描述的中心◇用该级语言编写的作业程序,通常由使机器人手爪从一个位置到另一个位置的一系列运动语句组成。◆动作级机器人语言的每一条语句对应于一个机器人动作。2)对象级机器人语言- AUTOPASS今以近似自然语言的方式,按照作业对象的状态变化来进行程序设计以描述操作物体之间关系为中心的语言。今它不需要去描述机器人手爪如何动作,只要由操作者给出作业本身的顺序过程的描述及环境模型的描述,机器人即可自行决定如何动作。(3)任务级机器人语言◇最理想的机器人高级语言,是用被操作物体,而不是机器人的动作来描述作业任务◇使用者只要按某种原则给岀作业起始状态和作业目标状态,机器人语言系统即可利用口有的环境信息和知识库、数据库自动进行推呷、计算,最后白动生成机器人详细的动作、顺序和相应数据。◇须具冇判断环境、描述环境的能力;同时,也必须冇自动完成许多规划任务的能力。2、按表面形式分汇编型,如VAL语编译型,如AI、LM语言;自然语言型,如 AUTOPASS语言等;(三)机器人语言的特征机器人语言则包含语言本身、语言处理系统和机器人的工作环境模型三部分9盐理系恒外部乱音工件1.具有作业环境和作业对象的描述性。1)环境输入:视机器人语言水平不同,输入方法也不相同。目前的输入方法一般是由操作者与计算机的人机对话来进行的。将来随着视觉技术的发展,可能由机器人视觉的方法自动生成。〔2)环境建模:进行机器人编程时,需要描述物体三维空间的几何关系的语言,对操作物体的位置和姿态,操作物体之间的关系进行描述,并使之模型化。2)环境模型的修改、更新:在作业过程屮,操作物体的位置、姿态以及它们之间的关系一般随着作业而发生改变,语言系统要根据操作情况的变化来改变环境模型的内容。2.具有作业内容的描述性3.具有良好的编程环境4.具有人机接口和传感器接口功能机器人离线编程、离线编程的概念第一代工业机器人采用示教编程方式,无论是采用手把手示教或控制盒示教,都需要机器人停止原来的工作。而再现时若不能满足要求,还需反复进行示教进行一项任务之前,在现场编程过程要花费很多时间,这对于大批量生产的简单作业,基本还能满足要求。但是,随着机器人应用到中小批量生产,以及要求完成任务的复杂程度的增加,用示教编程方式就很难适应了。二、机器人离线编程随着计算机技术和机器人技术的不断发展,机器人与 CAD/CAM技术结合,已形成生产效率很髙的柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)。这些系统中大量采用工业机器人,具有很高的适用性和灵活性一)离线编程的概念杋器人离线编程就是利用计算机图形学的成果,建立机器人及作业环境的三维几何模型,然后对机器人所婓完成的任务进行离线规划和编程,并对编程结果进行动态图形仿真,最后将满足要求的编程结果传到机器人控制柜,使机器人完成指定的作业任务。(二)离线编程系统的一般要求工业杋器人离线编程系统的一个重要特点是能够和CAD!CM建立联系,能够利用CAD数据库的资料。对于一个简单的机器人作业,几乎可以直接利用CAD对零件的描述来实现编程。三)离线编程系统的基本组成10
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