基于虛擬樣機的機械手聯(lián)合仿真教學平臺研究

楊麗新，楊林豐

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

基于虛擬樣機的機械手聯(lián)合仿真教學平臺研究

楊麗新，楊林豐

（華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

隨著機器人在自動化工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，加大機器人人才培養(yǎng)力度成為工程教育的共識。由于機器人價格昂貴、數(shù)量少，導(dǎo)致學生實踐操作機會有限。通過虛擬的實驗和測試，建立虛擬物理模型和控制模型，提前發(fā)現(xiàn)模型設(shè)計中的潛在缺陷，并及時找到解決方法，以此提高機器人的設(shè)計效率是工程中應(yīng)用較多的方法。本文將在Solidworks中建立的鍛造機械手三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中，并在MATLAB/Simulink中建立仿真控制方案，最后實現(xiàn)ADAMS和MATLAB對鍛造機械手的聯(lián)合仿真，構(gòu)建虛擬樣機的機械手聯(lián)合仿真教學平臺研究，并通過仿真實例驗證方案的可行性。

鍛造機械手；聯(lián)合仿真；虛擬樣機；教學平臺

在經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和制造業(yè)用工成本上升的大背景下，機械手需求迎來爆發(fā)式增長。以珠三角地區(qū)為例，為應(yīng)對要素成本和人力成本上漲，機械手需求年增長速度達30%。2014年，《廣州市推動工業(yè)機器人及智能裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實施意見》披露，廣州80%以上的制造業(yè)企業(yè)將應(yīng)用機械手及智能裝備。近年來，我國機械手的數(shù)量劇增，但由于其操作編程與驅(qū)動控制技術(shù)跟不上硬件的發(fā)展水平，專業(yè)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量相對滯后已成為機器人應(yīng)用的瓶頸和門檻之一，導(dǎo)致其在自動化控制操作方面的應(yīng)用尚未充分利用。因此，亟需大力開展機械手自動化應(yīng)用的探索實驗，通過提高機器人專業(yè)人才對機械手共性關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用能力，充分發(fā)揮機械手的自動化應(yīng)用功能[1-4]。

鍛造機械手是一個復(fù)雜的機電液系統(tǒng)，其價格昂貴、數(shù)量少，導(dǎo)致學生實踐操作機會有限。通過虛擬的實驗和測試，建立虛擬物理模型和控制模型[5-8]，提前發(fā)現(xiàn)模型設(shè)計中的潛在缺陷，并及時找到解決的方法，以此提高機器人的設(shè)計效率是工程中應(yīng)用較多的方法。本文將在Solidworks中建立的鍛造機械手三維實體模型導(dǎo)入ADAMS中，并在MATLAB/Simulink中建立仿真控制方案，最后實現(xiàn)ADAMS和MATLAB對鍛造機械手的聯(lián)合仿真，構(gòu)建虛擬樣機的機械手聯(lián)合仿真教學平臺研究，并通過仿真實例驗證方案的可行性。

1 ADAMS軟件簡介

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）軟件是美國MDI（Mechanical Dynamics Inc）公司開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，是虛擬樣機領(lǐng)域中非常優(yōu)秀的軟件，目前已廣泛應(yīng)用到汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)等領(lǐng)域，并取得了滿意的效果。該軟件提供了友好的交互式圖形環(huán)境，可以方便地利用它的零件庫、約束庫、函數(shù)庫等來創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)虛擬模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方法建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學仿真分析，輸出我們需要的數(shù)據(jù)曲線用來分析并改進設(shè)計。并且該軟件針對不同行業(yè)的需要提供了相應(yīng)的專業(yè)模塊以滿足行業(yè)設(shè)計人員的不同要求，使設(shè)計效率明顯提高。該軟件的主要特點是通過它建立的虛擬模型能很好地反映實際的物理模型，其仿真結(jié)果也能很好地與實際物理模型的結(jié)果相吻合。但是對于控制系統(tǒng)設(shè)計，ADAMS軟件提供的控制工具箱只能處理一般的控制環(huán)節(jié)（比如PID控制），而MATLAB是大型控制系統(tǒng)設(shè)計軟件，能夠處理各種高級控制環(huán)節(jié)（比如智能控制系統(tǒng)），如果能將兩者結(jié)合起來使用，充分發(fā)揮它們各自優(yōu)勢，將給那些復(fù)雜系統(tǒng)的研究提供一種新的途徑。

2 夾持過程PID控制

在鍛造機械手夾持鍛件過程中，一般方法是恒速夾持，這樣鉗口會對鍛件產(chǎn)生碰撞沖擊，可能會破壞鍛件和夾持機構(gòu)的相對位置，引起偏載，給穩(wěn)定夾持帶來不利影響，因此需要對夾持過程進行控制。不考慮夾持機構(gòu)的變形，鍛造機械手鉗口的夾持位移和速度與液壓缸活塞位移和速度一一對應(yīng)，且對液壓缸活塞測量較為方便，因此，可以采取控制液壓缸活塞的策略，達到控制鉗口的目的。

2.1 PID控制簡介

偏差的比例（Proportional）、積分（Integral）和微分（Derivative）的綜合控制，簡稱PID控制。PID控制器本身是一種基于對“過去”、“現(xiàn)在”和“未來”信息估計的簡單但卻有效的控制算法。由于其具有算法簡單、魯棒性能好、可靠性高等優(yōu)點，PID控制策略被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中，其工作原理如圖1所示。

圖1 PID控制系統(tǒng)原理框圖

在連續(xù)控制系統(tǒng)中，PID控制器的輸出u（t）與輸入e（t）之間成比例、積分、微分的關(guān)系。即：

式中：e（t）——比例增益，e（t）=r（t）-y（t）；

Kc——比例增益；

Ti——積分時間常數(shù)；

Td——微分時間常數(shù)。

在計算機控制系統(tǒng)中，使用比較普遍的也是PID控制策略。此時，數(shù)字調(diào)節(jié)器的輸出與輸入之間的關(guān)系為：

PID控制器主要有兩種算法：位置式和增量式，由于位置式采用全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對誤差量進行累加，計算輸出控制量u（k）對應(yīng)的是執(zhí)行器的實際位置偏差，如果位置傳感器出現(xiàn)故障，u（k）可能會出現(xiàn)大幅度變化，引起執(zhí)行機構(gòu)位置的大幅度變化，這種情況是不允許的，因此本文采用增量式控制算法：

增量式PID控制算法：

3 ADAMS與MATLAB軟件的聯(lián)合仿真

ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真要經(jīng)過以下幾個步驟：

（1）建立虛擬模型。對于簡單的模型可以利用ADAMS軟件直接建模，對于復(fù)雜的模型可以借助一些 CAD軟件（如 UG、CATIA、PRO/E等）建模，然后將最終的模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中，最后給這個模型施加約束和作用力。

（2）定義ADAMS的輸入和輸出。圖2為ADAMS與MATLAB的接口。ADAMS的輸入輸出是與MATLAB設(shè)計的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞的接口，ADAMS的輸入就相當于系統(tǒng)的控制輸入，ADAMS的輸出就相當于系統(tǒng)的測量值。

圖2 ADAMS與MATLAB的接口

（3）建立控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。將ADAMS建立的虛擬模型與MATLAB建立的控制系統(tǒng)通過圖1的方式結(jié)合起來，形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

（4）仿真分析。對閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真分析，并針對結(jié)果對控制系統(tǒng)參數(shù)進行反復(fù)修改，直到得到滿意的效果。

4 聯(lián)合仿真在鍛造操作手驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用

鍛造操作手驅(qū)動系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，目前對鍛造操作手驅(qū)動系統(tǒng)控制研究都是建立在它的數(shù)學模型基礎(chǔ) 上，但是這種數(shù)學模型只是一個近似的簡易線性化模型，不能反映它的真實情況，很明顯其研究結(jié)果與實際系統(tǒng)有較大的差別，而且數(shù)學模型一旦建立錯誤將導(dǎo)致失敗。而ADAMS軟件可有效解決上述問題，利用該軟件在計算機上按照實際系統(tǒng)情況構(gòu)造它的虛擬模型，自動建立其數(shù)學模型，這種虛擬模型并不是簡單地反映實際系統(tǒng)，它可以很好地代替實際系統(tǒng)模型并對其在使用中的各種工況進行仿真分析，最終為物理樣機的驗證提供可靠的依據(jù)。本文用ADAMS軟件構(gòu)造了鍛造操作手的虛擬模型，如圖3所示，簡化模型如圖4所示，其夾鉗參數(shù)采用250t重載操作機的參數(shù)，鍛造操作手驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

4.1 控制系統(tǒng)的建立

表1 250t鍛造操作手參數(shù)

首先，用ADAMS建立鍛造機械手的機械模型，接著定義輸入輸出變量（即與MATLAB接口的變量），輸入采用施加在鍛造機械手推桿的力F與支架上的旋轉(zhuǎn)扭矩T，輸出采用鍛造機械手的傾斜角與鍛造機械手的旋轉(zhuǎn)角；然后，通過ADAMS/CONTROL模塊輸出ADAMS的機械系統(tǒng)模型；最后，在MATLAB里面建立夾鉗驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖，如圖5所示。

圖5 夾鉗驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

圖3 250t鍛造操作手模型

4.2 聯(lián)合仿真的結(jié)果

圖6為鍛造操作手鉗口角速度變化曲線圖，圖7為鍛造操作手鉗口角度變化曲線圖，圖8為鍛造操作手力矩驅(qū)動圖。由圖6、圖7、圖8的仿真結(jié)果可以看出所設(shè)計的控制器能達到預(yù)期的控制效果，驗證了所構(gòu)建虛擬樣機的機械手聯(lián)合仿真教學平臺研究方案的可行性。

圖6 鍛造操作手鉗口角速度變化曲線圖

圖7 鍛造操作手鉗口角度變化曲線圖

圖8 鍛造操作手力矩驅(qū)動圖

5 結(jié)論

本文利用ADAMS和MATLAB軟件成功地對鍛造操作手進行了PID控制仿真。在仿真過程中不需要推導(dǎo)系統(tǒng)的復(fù)雜微分方程組，直接用ADAMS建立虛擬模型進行分析，大大方便了建模過程，特別是為那些高度復(fù)雜無法或者很難推導(dǎo)出其微分方程組的機械系統(tǒng)提供了有效的分析途徑。而且通過ADAMS軟件建立的虛擬模型能夠很好地接近實際的物理模型。與那些近似線性化的簡易數(shù)學模型相比，本模型為今后構(gòu)建虛擬樣機的鍛造機械手聯(lián)合仿真教學平臺，并通過仿真實例驗證方案的可行性提供了更為可靠的依據(jù)。

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[2]胡洪鈞，等.工業(yè)機器人實驗項目開發(fā)與實踐[J].實驗技術(shù)與管理，2015，（9）：201-203+207.

[3]王 軍，李 明.面向機器人工程對象的“創(chuàng)新研究型實驗”課程建設(shè)[J].實驗室研究與探索，2013，（6）：279-282.

[4]薛文平，李康吉.《工業(yè)機器人》實驗教學的改革與實踐[J].實驗科學與技術(shù)，2014，（1）：49-51.

[5]陳 罡，等.七自由度機械臂的ADAMS/MATLAB聯(lián)合仿真研究.系統(tǒng)仿真學報，2017，（1）：99-106.

[6]史耀強，等.雙足機器人基于ADAMS與Matlab的聯(lián)合仿真.機械與電子，2008，（1）：45-47.

[7]盧衷正，戈振揚，丁 巍.四足除草機器人的ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真[J]. 機械科學與技術(shù)，2016，（3）：75-380.

[8]姚莉君，李成剛，張 軍.ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真在3自由度并聯(lián)機構(gòu)控制中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計，2012，（5）：31-35.

Discussion about virtual simulation integrated technology on basis of robot experimental teaching

YANG Lixin,YANG Linfeng
（School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong China）

The robot experimental teaching is significant in the enhancement of college students'innovation and practical ability,which is in urgent need during fostering engineering science and technology talents by university.Because of high price and low number of the robot,the practical training opportunity has been limited.The development of simulation technology provides new way to solve the above problem.A digital virtual simulation platform of forging robot has been designed by integrating computer simulation,virtual reality and artificial intelligence control technologies,which can be used as a tool during demonstration of the robot experimental teaching.

Robot;Experimental teaching;Forging robot;Digital virtual simulation platform

TP242

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.04.016

1672-0121（2017）04-0056-04

2017-03-22；

2017-05-11

華南理工大學2016年校級教改資助項目（Y9160740）；2016年廣東省高等教育教學改革資助項目

楊麗新（1986-），女，講師，博士在讀，主攻機器人動力學與智能控制研究。E-mail：melxyang@scut.edu.cn