基于Solidworks创建的机械手的SimMechanics仿真

引言

    20世纪后半期，机械手设计开始出现，并作为机器人领域的热门研究，逐渐取得了巨大进步和显著进展。伴随着工业及其他受益于机械手研究和设计的产业要求的进一步提高和社会对机械手功能的更高需求，机械手功能越来越完善，同时也造成机械手系统的复杂度提高和研究难度的上升。

    当前，仿真技术已成功应用于航空航天、信息、生产制造、材料、军事、经济等众多领域。随着研究对象的规模日益扩大，结构日益复杂，基于计算机的仿真技术不仅有助于提高设计效率，缩短开发周期，还不受环境气候等因素的限制，且在保证安全、节省开支、提高质量等方面优势明显。

    在机械工程领域，大型仿真软件如ADAMS、ANSYS 在各自的细分领域里都有专长。而像传统的CAD 制图软件，如Creo、Solidworks 等，也在原有功能上添加了多种仿真功能。SimMechanics（自MATLAB R2016a 版本后更名为Multibody）是MATLAB 软件内的一个机构系统模块集，可以对各种运动副连接的刚体进行建模与仿真，实现对机构系统动态性能分析的目的。利用此工具进行机械手的分析不需要建立复杂的数学模型和编程，依托MATLAB 强大的数据处理能力，可实现实时分析和机构运动状态的模拟显示。

1　Solidworks建立三指机械手模型

    机械手有很多实体零件组成。如图1 所示，SimMechanics虽然可以通过Body Elements 子模块组中的Solid 模块进行设计组建，但与用Solidworks 设计相比，操作难度高。特别是在零件装配过程中，Solidworks 凭借强大的图形拖拽及可视化能力，在设计效率上具有明显优势。

    图1　SimMechanics模块组

    文中仿真的机械手以Barrett Technology公司BH8系列的BarrettHand 机械手作为参考。该机械手有三个手指，如图2、图3所示。手指1近指节关节固定，而手指2、3近指关节可绕Z轴旋转一定角度；三个手指的中指节和远指节都为旋转副关节，可绕X轴旋转。

2　Solidworks装配体导入SimMechanics

    要将Solidworks装配体导入SimMechanics，该过程依赖专用的XML文件。此文件存储着装配体的详细模型描述数据。SimMechanics通过读取XML文件，重新生成装配体模型。

    整个转换过程分为两步，即导出与导入，见图4。导出过程中，将装配体转变成XML 文件和STEP/STL 文件，后者包含了装配体零件的几何性质。导入过程中，把XML 文件和STEP/STL 文件转化成SLX 文件和一个数据文件。此时，SimMechanics将装配体的所有特性都转换完成。

    图4　Solidworks装配体转换流程图