基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究92

发布时间：2016-08-06 20:06

本文关键词：基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究，由笔耕文化传播整理发布。

第4期；2010年4月；文章编号：1001-3997（2010）04-0；机械设计与制造；MachineryDesign＆Manufact；93；基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究；马如奇郝双晖郑伟峰郝明晖宋宝玉）（哈尔滨工业大学；Researchoncoordinatedsim；MARu-qi，HAOShuang-hui，ZH；???????

第4期

2010年4月

文章编号：1001-3997（2010）04-0093-03

机械设计与制造

MachineryDesign＆Manufacture

基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究*

马如奇郝双晖郑伟峰郝明晖宋宝玉）（哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨150001

ResearchoncoordinatedsimulationofrobotarmbasedonMATLABandADAMS

MARu-qi，HAOShuang-hui，ZHENGWei-feng，HAOMing-hui，SONGBao-yu

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【摘

要】为提高机械臂设计效率，充分利用了虚拟仿真，搭建了机械臂的虚拟仿真系统。首先在

（SchoolofMechatronicsEng，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China）

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Solidworks中建立了四关节机械臂的实体模型；然后将其导入动力学仿真软件Adams中，进行运动学及动力学仿真；最后通过Adams与Matlab的接口模块Adams/control，利用Matlab/Simulink模块搭建了机仿真结果表明机械臂系统具械臂的联合仿真控制系统，实现基于Matlab与Adams的机械臂的联合仿真。有较好的动态响应特性及较好的轨迹跟踪能力。

关键词：机械臂；联合仿真；虚拟样机；运动仿真；ADAMS；MATLAB

【Abstract】Toimprovethedesignefficiencyofrobotarm，avirtualsimulationsystemwasbuiltbyathree-dimensionalmodeloftherobotarmwithmakingfulluseofthevirtualsimulationtechnology.First，

four-freedomwasbuiltinSolidworkssoftware；andthen，themodelwasimportedintothedynamicsimula－tionsoftwareAdamsforkinematicanddynamicsimulation；Atlast，throughtheinterfacemodularpartofMatlabsoftwareandcoordinatedsimulationoffour-freedomwassuccessfullyimplemented.Thesimula－tionresultsindicatethatthecoordinatedsimulationsystemoftherobotarmhaspreferabledynamicre－sponsecharacteristicsandnicerlocus-trackingability.MATLAB

（Adams/control）ofMatlabandAdams，robotarmcontrolsystemwasestablishedbyusingsimulinkmodule

Keywords：Robotarm；Coordinatedsimulation；Virtualprototype；Motionsimulation；ADAMS；中图分类号：TH16，TP242文献标识码：A

1引言

机械臂是一个复杂的机电系统，如果按照传统的设计模式，通过加工样机后对其进行反复测试改进，不仅很难有效地提高机械臂的性能，而且还会耗费大量的物料和时间，因此有必要借助虚拟技术，在制造物理样机之前，先建立一个虚拟的样机系统[1-2]。通过对虚拟样机系统的测试，可以发现系统的不足，并予以改进，这样既可以有效地缩短机械臂的开发周期，又可以有效地提高机械臂的性能。Adams能够方便的实现多刚体系统的运动学及动力学仿真，Matlab具有强大的计算功能，并可以方便的构建控制系统[3～5]。利用这两个软件建立机械臂的联合仿真系统，既可以对机械臂的运动学及动力学进行仿真分析，又可以搭建机械臂的控制系统，通过交互式联合仿真，可以有效地提高机械臂的性能，为实际物理样机的研制提供技术依据。

2虚拟样机机械系统

2.1机械臂三维模型的建立

Adams具有很强的运动学及动力学仿真能力，但很难精确建立复杂的三维实体模型。为了能够建立准确的机械臂三维模型，选择了Solidworks三维设计软件。设计的机械臂具有四个关节，底部腰关节采能实现四个自由度的回转运动。考虑到刚性要求，

＊来稿日期：2009-06-22

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腕关节

小臂肘关节

大臂肩关节腰关节

YZX

用永磁交流伺服电机加精密行星轮减速机的传动系统，而肩、肘两个关节则采用永磁交流伺服电机加谐波减速器的传动方式，末端机械臂三维模型，如图1所示。的腕关节则直接由伺服电机驱动。

图1机械臂三维模型

2.2机械臂运动仿真系统的建立

机械臂的运动学及动力学仿真需要在Adams中进行，因此需要将Solidworks中建立的简化三维模型导入到Adams中。其方法是将Solidworks中的文件保存为Parasolid格式，然后导入到Adams中。在Adams中，需要对导入的每个零部件进行编辑，定义其材料、质量、转动惯量等相关属性，从而使得虚拟样机与实际物理样机具有相同或者是相近的物理特性，以便更好的模拟实际系统。要对机械臂进行运动学及动力学仿真，还需要为导入

＊基金项目：863计划专题课题（2006AA04Z231）

94马如奇等：基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究第4期

Adams中模型定义约束及驱动，如图2所示。服控制器接收到上位机的指令后，控制交流永磁同步电机驱动相应的机械臂关节；同时，通过磁电编码器进行位置反馈，以实现全如图5所示。闭环位置控制。系统总体控制结构，

伺服控制器1伺服控制器2伺服控制器3伺服控制器4

伺服电机1伺服电机2伺服电机3伺服电机4

编码器1编码器2编码器3编码器4

上

位机

YZX

图2定义约束后的机械臂模型

在有相对回转运动的四个回转关节处需要定义旋转约束，其他没有相对运动的零件均定义为固定约束。在定义好各个约束后，机械臂的各个零件之间便具有确定的约束关系，这样可以保证仿真时各个零部件能够有正确的运动。

图5机械臂控制结构

3.2关节位置伺服控制

设计的是串联机械臂，因此可通过控制各个关节的位置角度这就要求对各个关节使末端执行机构达到预期要求的目标位置。的位置角度进行精确控制。

当不考虑机械臂的动态特性时，可以将多输入多输出的机械臂系统化简为单输入单输出的伺服控制系统。对于交流伺服系统，不考虑电感时的拖动系统是一个稳定的二阶系统。为了加快系统的响应，可以考虑加入比例环节，同时为了增大系统的阻尼，其抑制系统超调，需要引入微分环节，从而构成了PD位置控制，结构，如图6所示。

θref

Kpi

TiKvi

觶θθ

驱动器传感器

2.3运动学及动力学仿真

定义好约束后，通过在机械臂的四个关节处定义旋转驱动（motion）或者力矩（torque）便可以进行运动学及动力学仿真。在Adams运动仿真系统中，可以通过驱动函数和力矩函数来定义所需要的各种驱动方式。为了验证机械臂系统运动的有效性及可靠性，以肩关节为例，定义机械臂肩关节的驱动函数为：Function（time）=-40.0d*SIN（time）。在此驱动函数的驱动下，设置仿真时间仿真步数step=500进行仿真。通过Adams中的后处理模为t=15s，

块便可以得到大臂围绕基坐标三个坐标轴的角速度，如图3所示。

AngularVelocity（deg/sec）50.0

40.030.020.010.00.0-10.0-20.0-30.0-40.0-50.0

0.0

model_1

图6机械臂关节位置控制结构

如果不计各关节驱动器动态特性，则机械臂的各个关节驱动力矩为：

.dabi.CM_Angular_Velocity.Z

.dabi.CM_Angular_Velocity.X.dabi.CM_Angular_Velocity.Y

5.0

Time（s）

10.015.0

觶Ti=Kp（）-Kviθiθref-θ

觶—传感器采集的关节位置及速度反馈信号；式中：θ和θ

Kpi与Kvi—比例系数及速度反馈比例系数。

采用该PD位置控制系统，对机械臂的关节进行位置控制。为了减少外部干扰对系统的影响，在保证控制系统稳定的前提下，尽

量采用较大的增益值。

图3机械臂运动学及动力学仿真

经过仿真分析可以得出，机械臂模型能够按给定的驱动函数进行运动学和动力学仿真，可以作为下一步联合仿真系统的机械子系统。

3虚拟样机控制系统

3.1控制系统结构

机械臂是一个多输入多输出、强耦合的复杂机电系统，要对其实现精确的控制比较困难。为此，先不考虑机械臂的动态控制，只对其进行运动控制，使其能够准确的跟踪给定的轨迹曲线。其基本的控制结构，如图4所示。

预定轨迹

控制器

机械臂

实际轨迹

4联合仿真系统

4.1联合仿真机械子系统的建立

为了进行Adams与Matlab的联合仿真，需要将Adams中已经建立好的机械臂机械系统导入到Matlab中，作为Matlab/Simulink中的一个子系统，以便在Matlab中利用Simulink仿真模块搭建联合仿真系统，从而实现机械系统与控制系统的联合仿真。

要将Adams中的机械系统导入到Matlab中，需要通过Adams中的Adams/control模块，利用该接口模块可以实现Adams与Matlab之间的数据传递。为了实现机械系统与控制系统之间的参数传递，需在Adams中建立联合仿真系统所需要的12个变量，包括4个控制转矩变量、4个关节位置变量及4个关节角速度变量。Adams可以利用其专有的函数实时地调用控制系统输出的转矩变量值，并将其作为该时刻的转矩指令驱动机械臂的关节运动；机械臂的各个关节变量又可以被实时地反馈到控制系统中，从而构成了完整的闭环控制系统，实现关节位置的精确控制。

图4机械臂的运动控制

设计的机械臂有四个关节，每个关节都由一个永磁同步电机来进行驱动，每个电机都由相应的一套伺服驱动控制系统来进行控制，而各个伺服控制系统的指令统一由一个上位机来进行给定。这样，整个机械臂控制系统就相当于一个由多个伺服系统构成的同步控制系统。各个控制单元之间是并行连接，上位机通过高速同步串口把速度或者位置指令传送给各个伺服驱动系统。伺

No.4Apr.2010

机械设计与制造

图10所示。特性及跟踪特性，如图9、

3.53Angle（d）2.521.510.500

567

Time（s）

阶跃信号

响应信号

在Adams/control模块中，将转矩变量定义为输入变量，用于存放Matlab中控制系统输出的转矩指令；将位置变量与角速度变量定义为输出变量，用于控制系统中的位置及速度反馈输入。变量定义完成后，Adams/control模块将会生成三个文件，这些文在Matlab中调用件将用于Adams与Matlab之间进行数据传递。

Adams/control模块，显示已经定义的联合仿真系统所需要的12个变量，并对这些变量进行确认。然后在Matlab中输入命令：adams_sys，Matlab将会产生机械臂机械子系统模块，如图7所示。

>MSCSoftware>

S-Function

j_velocity

x=Ax+Bu

y=Cx+DuState-Space

adams_sub

z_velocity

8910

图9联合仿真系统阶跃响应特性

43Angle（d）

210-1-2-30

567

）Time（s

正弦信号

跟踪信号

（a）联合仿真系统中的机械子系统

ADAMS_uout

1control_torque_j

UToWorkspace

1j_position

2j_velocity

control_torque_w

Mux

3control_torque_y

MSCSoftwareADAMSPlantADAMS_youtYToWorkspace

4control_torque_z

Mux

Clock

ADAMS_toutYToWorkspace

Demux

w_position

678z_velocity

910

图10联合仿真系统跟踪特性

通过联合仿真分析可以看出，在阶跃信号作用下，肩关节能够在较短的响应时间内，由初始位置上升并稳定到指令给定的目精确控制。这一点通过联合仿真在标位置，从而实现位置的快速、Adams的仿真动画中也可以看出，肩关节驱动大臂由初始位置迅速旋转到指令给定位置，并在该位置保持不变。同时，从仿真曲线也可以看出，当给定指令为正弦信号时，肩关节可以精确的跟踪给定的正弦指令，只有很小的时间延迟。由此可以说明肩关节可以很好的跟踪给定的轨迹曲线，具有较好的轨迹跟踪特性。

其他各个关节采用同样的控制方法，实现相应关节位置的精确控制。根据机械臂末端执行机构位置与各关节位置角度之间的变换关系，便可以实现对机械臂末端执行机构的位置进行精确控制，使其具有快速准确定位的能力，同时还具有较好的轨迹跟踪特性。

）机械子系统结构（b

图7联合仿真系统—机械子系统

从图中可以看出，机械子系统ADAMSPlant有4个转矩变量4个位置变量及4个角速度变量作为输出。作为输入，

4.2联合仿真位置控制系统

机械臂系统是一个多变量强耦合的机电系统，在进行联合仿真时将其转化为线性多变量解耦系统。针对各个关节，采用PD控制策略进行位置控制，通过对各个关节位置的控制，实现对机械臂末端执行机构的位置控制，保证机械臂能够实现较高精度的位置跟踪。联合仿真系统，，如图8所示。

---Step2

Gain2

-Step3

Gain3

adams_sub

-Gain6-Gain5

-Gain4

-6结论

利用虚拟设计方法，在避免推导繁琐的动力学方程的情况下，实现了机械臂的本体及控制系统的设计，大大的提高了设计效率，在降低机械臂开发成本的同时，节省了大量的时间。

通过应用Solidworks、Matlab、Adams三个软件，建立了四自由度机械臂的机械模型，在对其进行运动学和动力学仿真的基础上，建立了联合仿真控制系统。通过仿真，验证了机械臂系统的可行性，仿真过程中得到的大量设计参数，有助于物理样机的设计与为机械臂的开发提供了一种新的研制。所采用的设计分析方法，

途径，即可以充分的利用虚拟设计技术，在建立物理样机之前，通过仿真分析来对样机系统进行改进，以便得到较优的设计方案。

参考文献

1史耀强，历明勇，顿向明，刘琦.双足机器人基于ADAMS与MATLAB的联

合仿真［J］.机械与电子，2007（1）：45～472杜志江，张博，孙立宁，董为.基于虚拟样机的双足机器人运动仿真研究［J］.系统仿真学报，2007，19（19）：4454～44563龚建球，刘守斌.基于ADAMS与MATLAB的自平衡机器人仿真［J］.机电工程，2008，25（2）：8～10

4张敏，石秀华，吴一红.基于ADAMS的三自由度水下机械手运动学仿真［J］.机械设计与制造，2005（7）：85～86

图8联合仿真位置控制系统结构

5联合仿真系统实验

为了对机械臂联合仿真系统的性能进行验证，以肩关节为例，分别以阶跃信号及正弦信号测试了联合仿真系统的阶跃响应

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