基于機器人實驗教學的虛擬仿真集成技術探討

楊麗新, 黃亮輝

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

基于機器人實驗教學的虛擬仿真集成技術探討

楊麗新, 黃亮輝

(華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣州 510640)

機器人實驗教學是高校培養工程科技人才綜合實踐能力的核心課程之一。由于機器人價格昂貴、數量少，導致學生實踐操作機會有限。仿真技術的發展，為解決這一問題開辟了新途徑。利用計算機仿真技術、虛擬現實技術以及人工智能控制技術，突破MATLAB與ADAMS聯合仿真關鍵技術，將系統仿真與三維虛擬樣機建模結合起來實現機電液一體化，設計了面向鍛造機器人的數字虛擬仿真集成平臺，可作為機器人實驗教學演示的工具。學生可在數字虛擬仿真環境中直觀地對鍛造機器人虛擬原型進行結構優化設計、性能評價、制造和使用仿真等操作。該平臺對啟迪設計創新、提高設計質量、減少設計錯誤、縮短開發周期有參考價值。

機器人； 實驗教學； 鍛造機器人； 數字虛擬仿真平臺

0 引 言

專業人才培養的數量和質量相對滯后已成為機器人應用的瓶頸和門檻之一，亟需加大滿足產業發展和企業需求的機器人專業人才培養力度。隨著機器人技術的不斷發展，越來越多的高等院校開設了機器人相關理論課程。機器人應用技術實踐性強，枯燥的理論教學難以激發學生的學習興趣。然而，機器人價格昂貴，導致學生的實操訓練機會有限。仿真技術的興起，為解決這一問題開辟了新途徑[1-3]。目前，數字虛擬現實仿真技術[4]的應用研究領域隨著其自身的快速發展而不斷成熟和擴大，通過該技術所構建的人機友好的虛擬仿真環境已經成為仿真領域中的前沿發展方向之一[5-7]。由于鍛造機器人集機電液于一體、成本高等特點，導致其實驗教學通常難以有效開展，因此，高效和高保真的數字虛擬仿真技術成為鍛造機器人實驗教學的重要支撐技術。

本文將新興的虛擬樣機仿真技術應用于鍛造機器人實驗教學環節，突破聯合仿真關鍵技術，將系統仿真與三維虛擬樣機建模結合起來實現機電液一體化，建立一個友好的鍛造機器人實驗平臺。學生可在數字虛擬仿真環境中直觀地對鍛造機器人虛擬原型進行結構優化設計、性能評價、制造和使用仿真等操作集成。本研究對啟迪設計創新、提高設計質量、減少設計錯誤、縮短開發周期具有重要意義。

1 虛擬仿真平臺系統總體設計步驟

鍛造機器人的結構復雜、自動化程度高，是一個要求各部分緊密關聯的多層次系統。利用總體集成技術、構建包括虛擬樣機、仿真技術以及虛擬現實與人機交互技術的鍛造機器人機電液一體化虛擬仿真平臺(見圖1)。

圖1 虛擬樣機技術的技術體系

采用多軟件協同仿真以滿足各子系統模塊之間信息交互與數據共享，在該系統的設計中，界面布局采用的自頂而下設計方法，先設計數字虛擬仿真平臺主界面，再分別設計各個子系統界面。相反，各個回調函數的編寫順序則采用自底而上的程序編寫方法，借助函數調用功能編寫各個回調函數，使得設計完成的靜態界面用于實驗操作，再達到仿真分析與計算的功能[8-9]。

2 夾持系統機電液一體化虛擬仿真平臺集成技術

2.1 夾持系統虛擬仿真平臺主界面的設計

鍛造機器人數字虛擬仿真平臺的主界面如圖2所示。該界面包括了鍛造機器人數字虛擬仿真平臺的歡迎界面、進入相應子界面的按鈕、關閉按鈕和相關菜單等。平臺共包含了液壓、機械、控制、聯合仿真和性能分析5個模塊。

圖2 虛擬仿真平臺主界面

主界面的各個子界面又可分為若干子界面,分別調用相應的函數來實現與之對應的仿真與分析功能。同時，為使主界面用戶友好、易于操作，設置了一些常用的實現各個子界面有機聯系的控件、菜單以及快捷鍵，相應的動作會隨用戶單擊控件按鈕而完成。例如，當單擊鍛造機器人圖片時，會自動執行命令并彈出鍛造機器人的夾持演示視頻。

2.2 液壓模塊界面

點擊鍛造機器人數字虛擬仿真平臺主界面中的液壓模塊按鈕，可以進入總液壓系統界面(見圖3)。該界面設置了夾持液壓驅動系統、旋轉液壓驅動系統以及插裝比例節流閥的仿真操作界面按鈕。

圖3 虛擬仿真平臺液壓模塊界面

由于驅動負載重載、大慣性的特點，本文所研究的夾持旋轉液壓驅動系統采用兩個液壓馬達并聯驅動，詳細結構參照文獻[10]。同時，為滿足避免鉗口液壓沖擊以及保持夾持恒力等要求，系統采用插裝式電液比例節流閥實現液壓回路調速，設計了夾持液壓驅動系統回路[11-12]，其操作界面如圖4所示。

圖4 虛擬仿真平臺液壓系統仿真計算界面

2.3 機械模塊界面

為方便夾持裝置的設計，機械模塊界面集成了鍛造機器人夾持裝置的結構設計方法和所設計出的相關結構，如圖5所示。

圖5 虛擬仿真平臺三維模型界面

2.4 控制模塊界面

如圖6所示，鍛造機器人虛擬仿真平臺的控制模塊操作界面分為旋轉驅動系統控制和夾持系統控制兩部分。

圖6 虛擬仿真平臺夾持控制系統仿真界面

針對鍛造機器人夾持液壓驅動系統重載、強非線性和參數不確定性等多重特性，分別采用基于神經網絡近似內模控制方法的雙液壓馬達驅動系統交叉耦合同步誤差補償控制[12]和基于反向遞推技術的多級反演自適應控制。該界面利用回調函數功能實現對系統參數的計算和修改，提高了控制效率、可移植性、可讀性和可擴充性。

2.5 聯合仿真模塊界面

聯合仿真系統利用ADAMS軟件多體動力學仿真功能和MATLAB強大的計算功能，在ADAMS中建立多體系統并通過MATLAB構建復雜的控制系統[13]進行數據實時交換，實現對鍛造機器人夾持裝置ADAMS模型(見圖7)的交互式聯合仿真，協調解決機械、液壓、控制系統等問題。在簡化建模過程的同時保證了鍛造機器人夾持裝置動力學模型的正確性，更能代替實際模型進行各種工況的仿真分析，有效地實現制造系統計算機集成，提高鍛造機器人的實驗教學提供平臺。

圖7 夾持裝置ADAMS模型

ADAMS與MATLAB聯合仿真的實現步驟如下：

(1) 建立虛擬模型。ADAMS軟件可以直接建立簡單模型，但對于復雜模型需要借助專業CAD軟件(如UG、SolidWorks、Pro/E等)建模。本文通過Pro/E建立鍛造操作機夾持裝置三維模型，然后將模型文件保存為Parasolid格式，生成“x_t”文件，導入到ADAMS/View中定義零部件材料、質量、轉動慣量等相應屬性，添加約束及驅動，從而建立起鍛造機器人夾持裝置ADAMS虛擬模型(見圖7)。

(2) 定義ADAMS的輸入和輸出。圖8所示為ADAMS與MATLAB聯合仿真的接口結構圖。利用ADAMS中的函數VARVAL，定義夾持裝置ADAMS模型的推桿力和支架上的旋轉力矩為輸入變量，推桿位移和旋轉角位移為輸出變量，通過ADAMS/Control模塊實現與MATLAB設計的控制系統進行數據傳遞，構成完整的閉環控制系統，從而實現夾持裝置推桿位置和旋轉角度的精確控制。其中，ADAMS的輸入相當于系統的控制輸出，ADAMS的輸出相當于控制系統的輸入和測試值，夾持系統非線性動力學模型則可從夾持裝置ADAMS虛擬模型導出得到。

圖8 ADAMS與MATLAB的接口

(3) 控制系統結構搭建。利用MATLAB/Simulink工具箱中的S_Function建立Simulink模塊，描述推桿液壓缸驅動單元和夾持旋轉液壓驅動單元的非線性動力學模型，并編寫推桿液壓驅動以及旋轉液壓驅動系統控制器算法。與生成的ADAMS_sub模塊設置好參數后按如圖9所示連接起來形成一個閉環系統。

圖9 ADAMS與MATLAB聯合仿真操作界面

(4) 聯合仿真系統實驗。聯合仿真界面與MATLAB/Simulink相聯，插裝比例節流閥、液壓馬達、液壓缸、控制器等參數可通過點擊聯合仿真界面中的相關按鈕分別進行設置。點擊MATLAB/Simulink的運行按鈕進行仿真分析。

2.6 性能分析模塊界面

性能分析界面給出了壓桿式、長杠桿式和短杠桿式等夾持裝置的結構圖、受力分析圖、參數設置和力學平衡方程。如圖10所示為壓桿式夾持裝置界面及夾持力計算結果。

(a)

(b)

鍛造機器人夾持系統虛擬仿真平臺設計完成之后，應用MATLAB自帶編譯器直接生成EXE可執行文件，使用戶能脫離MATLAB環境運行人機交互界面評價軟件。鍛造機器人虛擬仿真平臺將操作機復雜的機電液系統集成于一體，可作為機器人實驗教學演示的工具，為機器人教育提供了一種新途徑和新方法[14-16]。

3 結 語

本文利用MATLAB GUI設計了鍛造機器人夾持系統虛擬仿真平臺，該平臺將MATLAB提供的GUI功能與Simulink構造的開放式用戶界面相結合，建立了液壓模塊、機械模塊、控制模塊等。該平臺為ADAMS模型導入、MATLAB作業交互式提交和監控以及MATLAB仿真結果評估提供了一個系統建模、仿真和實時控制一體化的計算機仿真界面，從而實現MATLAB/Simulink和ADAMS聯合仿真。通過應用MATLAB自帶編譯器直接生成EXE可執行文件，方便用戶脫離MATLAB環境運行人機交互界面評價軟件，具有操作簡單、擴充性好、仿真功能和交互能力強大等特點，極大地方便了機器人教育工作。

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IntegratedStudiesofVirtualSimulationTechnologiesforExperimentalTeachingofRobots

YANGLixin,HUANGLianghui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Experimental teaching of robots is one of the core college courses in fostering engineering science and technology talents with practical ability. The limited number of expensive robots causes the students are lack of practical training. The development of simulation technology may pave a new way to solve this problem. A virtual simulation platform of forging robot was designed by integrating computer simulation, virtual reality, and artificial intelligence control technologies. The integration of mechanical-electrical-hydraulic was achieved by combining the system simulation and 3D virtual reality modeling, and also the key technology which is breakthrough of integrated simulation of MATLAB and ADAMS. The platform may be used as a demonstration tool in the experimental teaching of robots. Students can intuitively carry out the integrated operation procedures of the virtual prototype of forging robot in the digital virtual simulation environment, including structure optimization, performance evaluation, manufacturing, and simulated application. It is meaningful in inspiring idea, enhancing quality, reducing error in design, and increasing R&D efficiency.

robots; experimental teaching; forging robot; digital virtual simulation platform

TP 242

A

1006-7167(2017)11-0103-04

2017-02-20

華南理工大學校級教改項目(Y9160740);廣州市科技計劃項目(2015090330001)

楊麗新(1986-)，女，湖南常德人,碩士，實驗師，主要研究領域為：機器人動力學與智能控制實驗教學。

Tel.：13538894660;E-mail:melxyang@scut.edu.cn