基于COSMOSMotion的机械臂三维虚拟仿真

1 引言

    机器人三维运动仿真技术在机器人的研究与应用中发挥着重要作用。它对于在实际工作中机器人行走路径的生成、工作空间防止碰撞等具有十分重要的现实意义。用结合COSMOSMotion进行机械设计虚拟仿真是一种重要的科研手段。是一套应用在windows系统下的三维实体模型构建软件，它的三维设计功能强大，界面友好，能让使用者以简单的操作方式进行高效的机械设计。提供的基于特征选型的参数化造型功能，更是为开发者提供了良好的开发环境，用户机械设计建模过程与实际机械设计加工过程完全一样。目前，虚拟仿真已向三维实体化发展，在构建零件三维实体模型和零件装配好后，为了展示其功能或运动范围，必须对设计的机械装置进行虚拟仿真。而内嵌的COSMOSMotion是为广大用户提供的实现数字化功能样机的优秀工具，它与当今主流的三维CAD软件无缝集成，是全功能的运动仿真软件，可以建立各种复杂运动机构的精确运动模型，并对运动机构进行完整的运动学和动力学仿真，得到机构中各零部件的运动数据，分析机构中零件的位移、速度、加速度、作用力与反作用力等，并以图形、动画、表格等多种形式输出运算结果。总之，COSMOSMotion功能强大，求解可靠，仿真结果与实际情况十分吻合，完全能够满足用户对运动仿真的各种需求。

    用结合COSMOSMotion进行机械设计虚拟仿真，不仅在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用，而且在开发系列产品时可以显著降低开发成本、缩短产品的开发周期，提高工作效率，大大简化了机构的设计开发过程，同时又提高了产品质量。

    本文以蒸汽发生器检修机械臂为对象进行虚拟仿真，寻求以为工具的一种更简便、高效的机械设计虚拟仿真的方法。

2 蒸汽发生器检修机械臂简介

    蒸汽发生器（Steam Generator，简称SG）是核动力装置中一、二回路之间的连接枢纽，也是核动力装置运行过程中发生故障较多的设备之一。通常，在对蒸汽发生器进行必要检修的过程中，由于辐射的影响，一般选择蒸汽发生器检修机械臂实施检修活动。

    图1 蒸汽发生器检修机械臂结构

    蒸汽发生器检修机械臂结构，如图1所示。系统由六个臂组成，臂长分别为L1，L2，L3，L4，L5，L6，设六个关节的转角分别为θ1，θ2，θ3，θ4，θ5，θ6。机械臂的运动学主要研究两个问题：运动学正解问题—已知各关节转角的值，求解机械臂末端在空间的位置和姿态，这实际上是建立运动学方程的过程；运动学反解问题—指定末端的空间位置和姿态，求解出相应的各关节的转角值，这实际上是求解运动学方程的过程。