3. 机器人本体建模与运动学配置

在 DELMIA 中搭建多机器人协同工作站时，机器人本体建模与运动学配置是决定后续仿真可信度的基础环节。如果关节定义、运动学参数或坐标系设置存在偏差，即使离线程序看起来轨迹正确，实际执行时也可能出现碰撞、奇异或 TCP 偏离。本节围绕关节定义、运动学参数、工具坐标系、基坐标系以及姿态调整与验证五个方面展开，重点说明在 DELMIA 中如何把一台机器人从“几何模型”变成“可运动、可验证的虚拟样机”。

一、关节定义：把几何体变成可驱动的运动链

机器人本体通常由底座、转台、大臂、小臂、腕部等几何体组成。导入 DELMIA 后，这些几何体默认是静态的，必须通过关节定义把它们组织成父子运动链。关节定义的核心是回答三个问题：谁带动谁、绕哪根轴转、转多少度。

以常见的六轴串联机器人为例，其运动链可表示为：

Base(基座) → J1(绕Z轴回转) → J2(绕Y轴俯仰) → J3(绕Y轴俯仰)
→ J4(绕X轴回转) → J5(绕Y轴俯仰) → J6(绕X轴回转) → Tool(工具法兰)

在 DELMIA 的 Device Building 或 Kinematics 工作台中，通常按“先父后子”的顺序建立连杆（Link），再为相邻连杆添加旋转关节（Revolute Joint）。每个关节需要指定旋转轴方向、关节原点位置以及运动范围。例如 J1 的旋转轴一般与基座 Z 轴重合，J2 的旋转轴平行于 Y 轴且位于肩部铰点。若轴方向定义反了，机器人会出现“反向运动”或姿态翻转，因此建议在定义每个关节后立即用鼠标拖动关节，观察运动方向是否符合直觉。

二、运动学参数：DH 参数与关节限位的配置

关节定义完成后，需要为每个关节输入运动学参数。DELMIA 支持直接输入 DH（Denavit-Hartenberg）参数，也支持通过关节原点偏移和连杆长度间接描述。DH 参数包含四个量：连杆长度 a、连杆扭角 α、关节偏距 d、关节转角 θ。对于旋转关节，θ 是变量，其余三个为常量。

下表给出一组六轴机器人的示例 DH 参数（单位：mm 与度），仅用于说明配置方法，不代表任何具体型号的实测值：

配置时需注意：DH 参数的正负号与坐标系约定强相关。若采用标准 DH，Z 轴为关节旋转轴，X 轴沿相邻 Z 轴公垂线方向；若采用改进 DH，则 X 轴为关节旋转轴。两种约定不能混用，否则末端位姿会出现系统性偏差。关节限位也应在此阶段输入，DELMIA 会在运动仿真中自动阻止超出限位的姿态，这对多机器人协同中的可达性判断非常重要。

三、工具坐标系与基坐标系：定义“手”和“脚”

工具坐标系（TCP）和基坐标系（Base Frame）是机器人姿态描述的两个基准。基坐标系通常固定在机器人底座安装面上，Z 轴向上，X 轴指向机器人正前方。工具坐标系则固定在法兰末端，其原点即 TCP，Z 轴一般沿工具轴线指向外侧。

在 DELMIA 中，TCP 的定义方式有两种：一是直接输入相对于法兰坐标系的平移和旋转量；二是通过“三点法”或“六点法”标定。对于焊枪、吸盘、夹爪等工具，建议在工具数模上先建立工具坐标系，再通过装配约束将其关联到法兰。例如某焊枪 TCP 相对法兰的偏移为 (0, 0, 280) mm，绕 Y 轴旋转 90°，则配置时需明确写出：

TCP 相对法兰：
平移 Tx=0, Ty=0, Tz=280 mm
旋转 Rx=0, Ry=90°, Rz=0

基坐标系的设置则决定了机器人在工作站中的“站位”。多机器人协同场景下，每台机器人的基坐标系应统一到世界坐标系下描述，例如 Robot1 基座位于 (0,0,0)，Robot2 基座位于 (2000,0,0)。若基坐标系方向不一致，后续的协同轨迹规划将无法正确对齐。

四、机器人姿态调整与验证

完成关节、参数和坐标系配置后，必须对机器人姿态进行验证。验证不是简单“动一下看看”，而是要有明确的检查项和判断依据。建议按以下顺序进行：

1. 单轴运动验证：依次拖动 J1 至 J6，观察每个关节是否绕正确轴旋转，运动方向是否与预期一致。若 J2 正方向应为“大臂前倾”，实际却后仰，说明旋转轴方向定义反了。
2. 零位姿态验证：将所有关节置零，检查机器人是否处于厂家定义的零位姿态。DELMIA 中可通过“Home Position”功能快速回到零位，并与机器人手册中的零位图对比。
3. TCP 验证：在工具末端添加一个标记点，手动示教几个不同姿态，观察 TCP 是否始终指向同一空间点。若 TCP 随姿态变化而漂移，说明工具坐标系偏移量或旋转量有误。
4. 可达性验证：在工作站中设置若干目标点，让机器人尝试到达。DELMIA 会用颜色提示可达（绿色）与不可达（红色），据此判断基坐标系位置和关节限位是否合理。
5. 奇异位形检查：当 J5 接近 0° 时，J4 与 J6 轴线重合，机器人进入腕部奇异。可在 DELMIA 中拖动关节观察雅可比矩阵条件数变化，或直接观察姿态是否出现突变。

五、配置检查清单

为便于实际项目执行，以下给出一份机器人本体建模与运动学配置的检查清单，可直接用于 DELMIA 工作站搭建后的自检：

完成上述配置与验证后，机器人本体才真正具备参与多机器人协同仿真的条件。后续的轨迹规划、碰撞检测和节拍分析，都建立在这一步的正确性之上。若在协同仿真中出现末端偏移、姿态异常或碰撞误报，应优先回溯本节中的关节方向、DH 参数和坐标系定义，而不是急于调整轨迹程序。