双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真

在模型建好后 ,需要给双足机器人模型定义约 束和施加载荷 。在模型中主要用到了 2 种约束 :固 定约束和旋转约束 ,没有相对运动的零件采用固定 约束 ,有相对转动的零件之间采用旋转约束 。机器 人各关节主要是旋转运动 ,模型通过 12 个旋转约束 表示 12 个关节 (踝关节 2 个 ,膝关节 1 个 ,髋关节 3 个) 。关节运动要靠力矩来驱动 ,要在机器人模型的 各关节上施加驱动力矩 。 2. 2 运动环境的动力学建模
2. Wenzho u Science and Technology Museum ,Wenzho u 325000 ,China)
摘要 :为提高双足机器人设计的效率与可靠性 , 建立基于虚拟样机技术的仿真系统 。在 ADAMS 中建立双足机器人的机械动力学模型 ,利用 Matlab 中的 Simulink 工具箱建立控制系统 ,通过 ADAMS 与 Matlab 的接口 ADAMS/ Co nt rol s 模块 ,实现双 足机器人 基于 ADAMS 与 Matlab 的 联合 步行 仿 真 。虚拟样机联合仿真方法面向多领域 ,可避免复 杂的人工建模和求解过程 ,仿真逼真且接近实际系 统 ,为双足机器人物理样机的研制提供依据 。
为输入 ,从 ADAMS 导出的机器人动力学模块可以
嵌入到 Matlab 环境中 ,并提供关节运动角度作为反
馈 ,形成闭环控制 。本文采用 ZM P 步态规划法对
双足机器人进行步态规划 , ZM P 即零力矩点 ,是双
足机器人所受的重力 、惯性力和地面反力三者的合
力矢的延长线与地面的交点[7 - 8] ,在此不再赘述 。
[ 6 ] Huang Q , Sugano S , Tani K. A high stability smoot h walking pattern for biped robot [ A ] . IEEE. Conf . o n Robotics and Automatio n[ C ] . 1999. 65 - 71.
图 1 联合仿真系统
2 机器人本体及环境的动力学建模
2. 1 机械模型动力学建模 为了使模型能接近于实体结构 ,要根据机器人 ·45 ·
的下肢机构设计参数 ,建立机器人的下肢数字样机 模型 。在 ADAMS 中很难精确建立如此复杂的模 型 ,因此选择 Pro/ E ,其具有很强的实体造型和虚拟 装配能力[3 ] 。
关键词 :双足机器人 ;虚拟样机 ; ADAMS ; Mat2 lab ;联合仿真
中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2257 (2008) 01 - 0045 - 03 Abstract :In order to imp rove t he efficiency and reliabilit y of biped ro bot design ,t he simulatio n sys2 tem based o n virt ual p rotot ype is built . The me2 chanical dynamic model of biped ro bot is built in ADAMS. A nd t he co nt rol systems are built in Mat2 lab wit h t he help of toolbo x Simulink. Thro ugh ADAMS/ Co nt rol s ,we can realize coordinated sim2 ulatio n of walking based o n ADAMS and Matlab. Collaborative simulatio n can do multi - filed simu2 latio n ,avoid heavy works of manual modeling ,and offer fo undatio n for t he st udy of biped ro bot . Key words :biped ro bot ; virt ual p rotot ype ; AD2 AMS ;Matlab ;coordinated simulatio n
SHI Yao - qiang1 ,L I Ming - yong2 ,D UN Xiang - ming1 ,L IU Qi1 (1. The Robotics Instit ute ,School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiao Tong U niversity ,Shanghai 200240 ,China ;
图 5 髋关节角速度
图 6 髋关节驱动力矩 《机械与电子》2008 (1)
5 结束语
将 Pro/ E、ADAMS 和 Matlab 三者联合 ,分别 建立双足机器人的机械模型 、动力学模型和控制模 型 。利用 ADAMS 的异构模型协作接口 ,可对虚拟 样机进行机构 、运动学 、动力学仿真和控制联合仿 真 。三维仿真逼近实际系统 ,仿真软件自动建立机 器人的运动学动力学模型并求解 ,人工编程量小 ,求 解精度有保证 。在此虚拟样机平台上 ,方便地进行 参数优化和性能预测 ,提早发现设计问题 ,减少时间 和经费的消耗 ,也减少对物理样机的危险操作 。仿 真所提供的各个关节的角度 、角速度以及驱动力矩 等参数 ,为接下来选择电机 、减速器 、同步带等配件 提供依据 ,为最终做出物理样机奠定基础 。
4 联合仿真
图 2 虚拟样机运动环境建模
3 虚拟样机控制系统设计
控制系统的设计中把双足机器人的非线性耦合 系统简化为线性多变量解耦系统 ,每个关节采用单
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控制系统搭建好之后即可进行联合仿真 。在仿 真过程中 ,机械动力学解算通过植入的 ADAMS 模 块进行 ,控制解算通过控制软件求解器 ,两者之间通 过状态空间进行接口变量的联系 ,在仿真离散时间 点上通过 IPC 进行相关信息的交互[9] 。仿真运行 时 ,可以在 Matlab/ Simulink 中观察并输出仿真结 果曲线 。同时 ,也可以在仿真结束后 ,进入 ADAMS 的后处理 ( Po stp rocess) 模块观看仿真动画 。
独的 PID 控制器[6] ,其控制规律为 :
∫ T = kP e + kD e + kI ed t
式中 T 关节驱动力矩
kP , kD , kI
比例增益 、微分增益 、积分增益
e 关节规划转角与实际关节转角之差
如图 3 所示 , 把离线规划 好的步 态数 据通 过
PID 控制器调节之后 ,作为各个关节的驱动力矩作
后期的仿真工作要在 ADAMS 中进行 ,因此需 要将在 Pro/ E 中 建 立 好 的 机 械 模 型 导 入 到 AD2 AMS 中 。有 2 种方法 ,一种是通过它们的专用接口 软件 Mechanical/ Pro 来进行模型的传递 ,另一种方 法是改变 Pro/ E 中文件的保存格式为 Parasolid 格 式 ,然后导入 ADAMS 中就可以用了[4 - 5 ] 。采用第 2 种方法 ,在传输过程中会丢失质量 、转动惯量等模 型参数 ,因此在导入模型之后 ,为了更好地模拟真实 情况 ,所有的质量和惯量信息都采用手动输入 。
[ 3 ] 杨以明. 双足步行机器人仿真 [ D ]. 北京 : 清华大学 , 2005.
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收稿日期 :2007 - 08 - 14
《机械与电子》2008 (1)
0 引言
由于双足机器人研制的复杂性 ,有必要在物理 样机制造之前 ,建立一个虚拟原理样机系统 ,在各种 虚拟环境中模拟机器人双足步行系统的运动和状 态 ,以评估机器人步态规划 、步行控制算法的有效 性 ,并对设计方案进行优化 ,提高物理样机研制成功 的概率 。而 ADAMS 软件是虚拟样机领域非常优 秀的软件 ,在控制领域比较优秀的软件是 Matlab , 通过二者的联合仿真可以达到提高设计性能 、降低 设计成本 、减少产品开发时间的目的[1 - 2 ] 。
参考文献 :
Βιβλιοθήκη Baidu[ 1 ] 李增刚. ADAMS 入门详解与实例 [ M ] . 北京 : 国防工 业出版社 ,2006.
[ 2 ] Kiyo shi Ohishi , Kat suyuki Majima. Gait co nt rol of bi2 ped ro bot based o n kinematics and motio n descriptio n in cartesian space [ A ] . Conf . and Ro botics and Auto2 matio n[ C ] . 2001. 236 - 239.
机器人最终要实现在各种环境下行走或做其它 动作 ,因此在仿真中也必须搭建各种环境 ,在各种环 境下对机器人进行仿真模拟 ,分别搭建了平地模型 、 楼梯模型和斜坡模型 。可以通过修改地面的硬度 、 渗透度及粗糙度来模拟不通的实际行走环境 。
综合后的动力学模型如图 2 所示 ,分别为双足 机器人在平地 、楼梯 、斜坡环境下的动态步行仿真 。
双足机器人基于 ADA M S 与 Matlab 的 联合仿真
史耀强1 ,厉明勇2 ,顿向明1 ,刘 琦1 (1. 上海交通大学机器人研究所 ,上海 200240 ;2. 温州科技馆 ,浙江 温州 325000)
Coo rdinated Simulatio n of Biped Ro bot Based o n ADAMS and Matlab
图 3 机器人详细控制系统
为此 ,要实现联合仿真还需要定义输入 、输出变 量 ,根据双足机器人的 12 个关节 ,要分别定义 12 个 输出和输入变量 ,输入变量要和关节驱动力矩关联 起来输入到 ADAMS 中 ,输出变量要和关节运动角 度关联起来作为反馈由 ADAMS 输出 ,与规划好的 步态数据进行比较 ,这样就实现了 ADAMS 与 Mat2 lab 之间的信息封闭循环 。
通过观看动画可以验证步态规划的合理性以及 控制方法的有效性 ,在后处理模块还可以计算处理
《机械与电子》2008 (1)
各个关节运动副上的角位移 、角速度 、角加速度 、作 用力和作用力矩等数据曲线 。下面分别以髋关节为 例进行说明 。
髋关节的运动角度如图 4 所示 ,从此图中可以 看到机器人平地步行过程中髋关节角度的变化情 况 ,从而可以验证模型的有效性 ,看是否超出模型所 设计的运动范围 。
1 仿真系统的总体设计
在虚拟样机动力学与控制集成仿真系统中 ,进 行 ADAMS 和 Matlab 联合仿真 ,由仿真分析软件 ADAMS 提供虚拟样机的三维模型 、运动学模型和 动力学模型 ,控制软件 Matlab 提供控制目标轨迹 、 控制算法[2] ,通过二者之间的数据接口 , Matlab 将 样机的力矩控制指令送给 ADAMS ,后者将样机关 节角反馈给前者 ,形成完整的闭环控制系统 。仿真 系统如图 1 所示 。
图 4 髋关节运动角度
髋关节的角速度曲线如图 5 所示 ,从此图中可 以看出双足机器人平地行走过程中髋关节角速度的 情况 。髋关节驱动力矩曲线如图 6 所示 ,从此图中 可以看出机器人平地行走过程中髋关节相应的力矩 的变化情况 。通过处理还可以看到最高转速 、有效 转速和最大转矩 、有效转矩 。我们在选择电机和减 速器时 ,就可以根据最大转矩来确定电机和减速器 的堵转转矩 ,而有效转矩可对应电机的平均转矩 ,电 机都有一个最佳工作速度区间 ,根据角速度变化情 况就可以确定减速器等传动部件的传动比等参数 , 综合考虑速度与力矩就可以选出比较合适的电机和 相应的传动部件 。