基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究_马如奇
基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究
基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究一、本文概述随着机器人技术的快速发展,机械臂作为机器人执行机构的重要组成部分,其运动性能和控制精度对于机器人整体性能具有决定性影响。
为了提升机械臂的设计水平和控制性能,研究者们不断探索新的仿真技术。
在此背景下,基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究应运而生,为机械臂的设计优化和控制策略的开发提供了有力支持。
本文旨在探讨基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真的方法与技术,并对其进行深入的研究。
介绍了MATLAB和ADAMS软件的特点及其在机械臂仿真中的应用优势。
阐述了机械臂联合仿真的基本原理和步骤,包括模型的建立、动力学方程的求解、控制算法的设计等。
接着,通过实例分析,展示了联合仿真在机械臂运动学性能分析和控制策略验证方面的实际应用。
总结了联合仿真的研究成果,并展望了未来的发展方向。
本文的研究不仅有助于提升机械臂的设计水平和控制性能,也为相关领域的研究者提供了有益的参考和借鉴。
通过不断深入研究和完善联合仿真技术,将为机器人技术的发展注入新的活力。
二、MATLAB与ADAMS联合仿真的理论基础在进行MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究时,理解两种软件的理论基础和它们之间的交互方式是至关重要的。
MATLAB作为一种强大的数值计算环境和编程语言,广泛应用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等多个领域。
而ADAMS(Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems)则是一款专门用于多体动力学仿真的软件,特别适用于复杂机械系统的运动学和动力学分析。
MATLAB与ADAMS的联合仿真理论基础主要包括以下几个方面:接口技术:MATLAB与ADAMS之间的数据交换和通信是联合仿真的核心。
通常,这需要通过特定的接口技术来实现,如ADAMS提供的Control接口或MATLAB的Simulink接口。
基于Matlab和Adams的自平衡机器人联合仿真
基于Matlab和Adams的自平衡机器人联合仿真徐建柱;刁燕;罗华;高山【摘要】为检验自平衡机器人控制系统的准确性及其动静态性能,采用Matlab/Simulink和Adams建立虚拟样机系统的方法.通过建立机器人的状态空间方程并利用LQR方法配置系统极点,设计出状态反馈控制器.分别在Simulink和Adams中建立机器人的控制系统和机械仿真模型,利用二者实现对机器人的联合仿真.仿真结果表明,所设计的控制方法能实现机器人平衡,并具有良好的动静态性能.%In order to test the accuracy and the static-dynamic characteristics of the control system of self-balance robots, a virtual prototype system was created based on Matlab/Simulink and Adams. The full state feedback controller was designed by building state spacial formula and configuring the system extremity with LQR method. The control system and the mechanical simulation model of the robot were built in Simulink and Adams. The co-simulation based on Simulink and Adams for the robot was realized. The simulation result shows that the control method can keep the robot's balance successfully and the whole system has a good static-dynamic characteristic.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)006【总页数】3页(P90-92)【关键词】自平衡机器人;Matlab/Simulink;Adams;动力学仿真【作者】徐建柱;刁燕;罗华;高山【作者单位】四川大学制造学院,四川成都610065;四川大学制造学院,四川成都610065;四川大学制造学院,四川成都610065;四川大学制造学院,四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TP242-34两轮自平衡机器人的研究是近几年众多国内外学者关注的一个热点,如瑞士联邦大学工业大学Felix Grasser等人研制的JOE,美国Southern Methodist大学研制的nBot,以及为所熟知的由Dean Kamen所发明的两轮电动代步车Segway等。
MATLAB+ADAMS联合仿真
1.建立一个简单的模型MODEL_Co_Simulation,创建一个构件PART_2,创建一个转动约束JOINT_1,给转动约束一个驱动MOTION_12.创建两个变量VARIABLE_PART2_CMx和变量VARIABLE_motion1创建变量如下:命名好名字点击OK则生成两个变量如图:3.然后在变量variable_part1中填写函数DX(PART_2.cm)这个函数用来测量构件PART_2质心点cm的X坐标;变量variable_motion1不做任何改变;在MOTION_1 中填入VARVAL(VARIABLE_motion1),variable_motion1将作为ADAMS的输入变量,MATLAB传递给ADAMS的数据,通过变量variable_motion1传递给MOTION_1。
4.在adams中点击Plugins——Controls——Plant Export,进行adams控制模块设置窗口点击Plant Export后出现如下界面然后对图中标记的地方进行修改同理操作右侧空白选中VARIABLE_Part1_CMx,然后如下图注意修改Target Software为MATLAB,显示这样的界面后点击OK,此时在模型的工程目录下会生成如下几个文件这样ADAMS中的操作就已经完成打开MATLAB,在MATLAB中输入工程目录下生成的文件的文件名如Control_Plant_3,回车MATLAB如下然后输入adams_sys回车,打开如下的一个窗口新建一个Simulink空白文档把ADAMS_sub拖进新的文档双节adams_sub如图双击MSC_Software如图设置2中的0.005为ADAMS仿真步长,1中的batch可以自己试着设置一下设置Simulink的仿真步长,Simulink的仿真步长一定要和ADAMS中的仿真步长一致点击绿色按钮开始仿真,adams_sub就是ADAMS在Simulink中的模型,输入motion为正弦信号,输出为part2质心的X坐标值。
基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析
基于ADAMS和Matlab的协同仿真及分析摘要: 应用多体动力学仿真软件ADAMS/Control和强大的控制系统仿真软件Matlab/Simulink进行机械系统和控制系统的协同仿真研究。
以雷达天线为实例,Matlab中输出的控制力矩为机械模型的输入参数,机械模型的天线仰角和电机转速为输出,形成一个闭环系统。
结果表明,利用ADAMS和Matlab进行机械系统和控制系统协同仿真,可以为机电产品的系统动态仿真分析提供有效手段。
关键词: ADAMS; Matlab; 协同仿真复杂产品的开发设计过程通常分为液压、机械、电子、控制等不同子系统,各子系统采用各自领域内的商用仿真软件进行单点仿真[1]。
但单点仿真并不能真实地反映整个系统之间的相互影响,而且当某个系统的参数有变动时,各子系统都要重新设计。
而虚拟样机技术的发展为复杂产品进行精确仿真提供了有效的支持。
虚拟样机技术是一种基于计算机仿真的产品数字化设计方法,涉及到多体运动学与动力学等技术,是在CAX(如CAD、CAE、CAM 等)/DFX(如DFA、DFM等)技术基础上的发展,进一步融合了信息技术、先进制造技术和先进仿真技术,并将这些技术应用于复杂产品的全生命周期[2]。
利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估,可缩短开发周期,降低成本。
雷达天线是一种典型的机电一体化产品,利用虚拟样机技术对机械系统和控制系统协同仿真,在可视化的环境下观察控制系统和机械系统的相互影响,输出多种仿真结果。
本文基于ADAMS的强大的动力学仿真建模功能和Matlab/Simulink强大的控制仿真功能,利用ADAMS建立了雷达天线机械模型,并在Matlab/Simulink中设计了控制器,结合在ADAMS中建立雷达天线机械模型,最终建立了基于ADAMS和Matlab的协同仿真模型,通过协同仿真可保证雷达天线达到预定仰角位置,稳定系统。
1 机械系统的虚拟建模本文利用ADAMS/View对雷达天线进行建模。
关于ADAMS与Matlab联合仿真的讨论
发表于 2006-3-12 19:56 资料 个人空间 短消息 加为好友请教:在CAR 中进行联合仿真的问题!!请教:如何直接使用标准模块中的整车模型进行联合仿真控制? 我研究的重点是操纵稳定性控制(ADAMS 和matlab/simulink 联合控制),而标准模块中的车辆模型已经很成熟,更接近实际汽车模型,所以想直接引用。
根据VIEW 中的“雷达”这一例子,是需要定义输入和输出状态变量(要用build —system elements —state variable 进行定义),而CAR 中是没有这一选项的,既然能将Control 模块装到CAR 中,为什么就不能定义状态变量? 通过修改acar.cfg 文件,已经能使view 和car 互通了,在car 中的view 界面下已有build —system elements —state variable 选项,请问,可以在这里进行定义吗?期望您的指教!引用 报告 回复honeyjuneni 新手会员UID 75478 精华 0 积分 1 帖子 80 贡献积分 2 阅读权限 10 注册 2004-10-13 状态 离线#2 大 中 小使用道具发表于 2006-3-13 12:45 资料 个人空间 短消息 加为好友Re:请教:在CAR 中进行联合仿真的问题!! 怎么每人理我啊?到底能不能直接在standard interface 中利用shared 的整车模型与matlab 进行联合仿真?引用 报告 回复summitxu 新手会员UID 42325 精华 0 积分 1 帖子 48 贡献积分 0 阅读权限 10注册 2004-3-30状态 离线 #3 大 中 小使用道具发表于 2006-3-13 18:39 资料 个人空间 短消息 加为好友Re:请教:在CAR 中进行联合仿真的问题!!你必须在template 下先定义输入输出变量,那样才可以联合仿真。
ADAMS+matlab联合仿真
一、ADAMS /Controls模块ADAMS /Controls是ADAMS其他模块如ADAMS/View,ADAMS/Car,ADAMS/solver等的插件模块,为建立的模型添加控制系统。
通过ADAMS/Controls 模块,可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件MATLAB,EASY5,MATRIX等有机地连接起来,实现以下功能。
(1)将复杂的控制系统添加到机械系统模型中,然后对机电一体化进行联合分析。
(2)直接利用ADAMS程序创建控制系统分析中的机械系统仿真模型,而不需要使用数学公式建模。
(3)在ADAMS环境或控制应用程序环境获得机电联合仿真结果。
ADAMS /Controls控制系统可以有两种使用方式:●交互式:在ADAMS/Car, ADAMS /Chassis,ADAMS/Rail, ADAMS/View等模块中添加ADAMS /Controls,通过运动仿真查看控制系统和模型结构变化的效果。
●批处理式:为了获得更快的仿真结果,直接利用ADAMS /Solver这个强有力的分析工具运行ADAMS /Controls。
设计ADAMS/Controls控制系统主要分为4个步骤:1.建模:机械系统模型既可以在ADAMS /Controls下直接建立,也可以外部输入已经建好的模型。
模型要完整包括所需的所有几何条件、约束、力以及测量等。
2.确定输入输出:确定ADAMS 输入输出变量,可以在ADAMS和控制软件之间形成闭环回路。
3.建立控制模型:通过一些控制软件如Matlab、Easy5或者Matrix等建立控制系统模型,并将其与ADAMS机械系统连接起来。
4.仿真模型:使用交互式或批处理式进行仿真机械系统与控制系统连接在一起的模型。
二、MA TLAB/Simulink工具箱MA TLAB是MathWorks公司开发的软件,具有很多工具箱,其中Simulink工具箱,可以应用于对动态系统进行仿真和分析,他可以处理的系统包括:线性、非线性系统;离散、连续及混合系统;单任务、多任务离散事件系统。
ADAMS与Matlab联合仿真
7.1机械夹紧机构建模使用实例机械系统建模实例将创建一种机械夹紧机构模型,是阿波罗登月计划中用于夹紧登月舱和宇宙飞船的十二个夹紧机构之一。
夹紧机构包括:摇臂(Pivot)、手柄(Handle)、锁钩(Hook)、连杆(Slider)和固定块(ground Block)等物体。
夹紧机构的工作原理是:如图7-1所示,在夹紧机构手柄(Handle)处施加一个作用力,驱动机构运动,使其锁钩(Hook)处产生十倍于作用力的夹紧力,用于夹紧登月舱和宇宙飞船。
夹紧机构的设计要求是:至少产生800N的夹紧力;施加在手柄上的力应不大于80N;释放手柄的力应最小;在振动环境中夹紧机构应安全可靠。
手柄Handle锁钩Hook图7-1 夹紧机构三维模型图以下将从创建几何构件、添加约束、添加载荷及结果后处理等几个方面详细介绍机械夹紧机构模型的建立。
通过本实例的学习,能够详细了解ADAMS软件设计流程及使用方法。
7.1.1创建几何构件1、创建新模型本实例将使用ADAMS/View的零件库、约束库和力库创建夹紧机构模型。
首先打开ADAMS/View,选择“Create a new model”,模型名称(Model Name):Latch,点击OK,创建新模型完毕。
其它设置如图7-2所示:图7-2 创建新模型2、设置工作环境选择菜单栏【Settings】→【Units】命令,设置模型物理量单位,如图7-3所示:图7-3设置模型物理量单位选择菜单栏【Settings】→【Working Grid】命令,设置工作网格,如图7-4所示:图7-4设置工作网格3、创建设计点设计点是几何构件形状设计和位置定位的参考点。
本实例将通过设计点列表编辑器创建几何构件模型所需要的全部设计点。
选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的点(Point),下拉菜单选择(Add to Ground)、(Don’t Attach),并单击Point Table列表编辑器,创建并生成Point_1、Point_2等六个设计点,如图7-5、图7-6所示:图7-5设计点列表编辑器图7-6创建设计点4、创建摇臂(Pivot)选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的平板(Plate),设置平板厚度值(Thickness)为1,圆角半径(Radius)为1,用鼠标左键选择设计点:Point_1、Point_2、Point_3,按鼠标右键完成摇臂(Pivot)的创建,将其重新命名(Rename)为Pivot,如图7-7所示:图7-7创建摇臂5、创建手柄(Handle)选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的连杆(Link),用鼠标左键选择设计点:Point_3和Point_4,完成手柄(Handle)的创建,将其重新命名(Rename)为Handle,如图7-8所示:图7-8创建手柄6、创建锁钩(Hook)选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的拉伸体(Extrusion),选择“New Part”和“Clsoed”,拉伸体长度(Lengh)设为1,用鼠标左键选择表7-1所示的11个位置,按鼠标右键完成锁钩的创建,将其重新命名(Rename)为Hook,如图7-9示:表7-1锁钩节点坐标图7-9创建锁钩7、创建连杆(Slider)选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的连杆(Link),用鼠标左键选择设计点:Point_5和Point_6,完成连杆(Slider)的创建,将其重新命名(Rename)为Slider,如图7-10所示:图7-10创建连杆8、创建固定块(Ground Block)选择并点击几何模型库(Geometric Modeling)中的长方体(Box),选择“On Ground”,使其与大地(Ground)固结在一起,按下图创建固定体用鼠标左键选择设计点:Point_5和Point_6,完成连杆(Slider)的创建,将其重新命名(Rename)为Slider,如图7-11所示:图7-11创建固定块7.1.2添加约束1、添加旋转约束副选择并点击约束库(Joints)中的旋转副(Revolute Joints);选择“1 Location”(一个位置),“Normal To Grid”(垂直于工作网络),用鼠标左键选择Point_1,创建摇臂和大地的约束副;选择“2 Bodies - 1 Location”(两个物体一个位置),“Normal To Grid”(垂直于工作网络),选择摇臂和锁钩两个物体,左键选择Point_2,创建摇臂和锁钩的约束副;同理选择摇臂和手柄,位置为Point_3,手柄和连杆,位置为Point_5,创建摇臂和手柄、手柄和连杆的旋转约束副。
adams和matlab的联合仿真心得
adams和matlab的联合仿真⼼得经过反复查阅资料和⽆数次尝试,终于初步实现了adams和matlab的联合仿真,放在这⾥,⼀为备忘,⼆为纪念。
*:\MSC.Software\MSC.ADAMS\2005\controls\examples中的ball_beam为例,以下为详细步骤:1、将ball_beam⽂件夹拷贝到任⼀位置,在adams/aview中以"importa file"打开"ball_beam.cmd"。
2、假定已经完成adams的建模、约束和⼒的添加。
3、创建输⼊状态变量:my_torquebuild ->state elements ->state varilable ->new:在name栏内填写“my_torque”。
ok退出。
在主界⾯中需要连接输⼊状态变量的⼒矩标⽰上右点选择"Torque:*** ->modify",在function栏后点击"function builder"按钮,填写函数VARVAL(.ball_beam.my_torque),然后ok退出。
⾄此,完成了“从 my_torque 中获取⼒矩值”的关键⼀步,控制软件matlab到adams的输⼊通道构建完毕。
4、检验定义的状态变量:build ->state elements ->state varilable ->modify中选取my_torque,在F(time..)栏任意填写⼀给定,在主界⾯右点然后使⽤“measure"进⾏某参数值的量测,进⾏仿真判断输出变量设置,完成后改回零值。
5、创建输出状态变量:my_angle, my_positionbuild ->state elements ->state varilable ->new:在name栏内填写“my_angle”。
adams与matlab联合仿真例子(正确没商量)
Adams与Matlab联合仿真例子作者寄语:这个文件是基于李增刚《adams入门详解与实例》一书中,Adams与Matlab联合仿真的例子,以及一个名为《2013版ADAMS与Matlab联合仿真(绝对正确版)》的pdf文件上修改来,为了方便起见,用了一些复制、粘贴,所以中间的一些过程会和这两个文件有所重合,不要惊讶,也不要吐槽。
做这个例子的目的,是站在一个普通学习者的角度,介绍联合仿真,和众多学习adams的人共勉。
我的结论是:以上两个例子中的结果并不矛盾,都是正确的,基本上看了我的例子后,他们的也就懂了。
李增刚第236页开始。
《2013版ADAMS与Matlab联合仿真(绝对正确版)》1、知识储备以上两个例子都用到了PID控制(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative)控制器)比例就是对误差乘以一个系数积分就是对误差积分然后再乘以一个系数微分是对误差求导注意我的模型,上面是角速度Angle velocity,下面是角度angle,这里的积分是对angle进行积分,导致上面两个例子的不同也就在这,这个地方尤其要注意,不要上下搞反了。
表示的是对angle乘以一个系数,这里选了1,为比例调节,即P调节。
就是对angle的积分,(就是累加的意思),即I调节,然后乘以了系数1。
因为输出的是角速度,角速度就是angle的微分的,所以不用做什么操作,后面乘以了一个系数1。
然后这三个相加起来作为反馈调节,所以用了这个模块,这个表示累减。
将角度值送到Matlab的workspace工作空间,这个表示把时间送到workspace中去,因为角度这里是角度与时间的函数。
注意:这些模块不是必要模块,我只是为了做对比而加上去的,去掉不会对仿真产生影响,但是如果要加的话这两个模块缺一不可。
我的软件是adams2012与Matlab 7.12.0(R2011a)。
现在进入正题1、设置单位启动ADAMS/View,选择新模型,在模型名输入link。
MATLAB和ADAMS联合仿真实现一种位置控制系统
MATLAB和ADAMS联合仿真实现一种位置控制系统0.预先操作01 在D盘根目录下新建文件夹Model,路径中无空格、无中文字符,模型统一存放处。
1.ADAMS中建模过程1.1启动ADMAS双击桌面图标:或从“开始”中选择启动:1.2进入ADMAS界面。
1.3设置工作目录。
选择菜单栏File\Select Directory,弹出浏览文件夹对话框,选择D:\Model文件夹。
1.4弹出主工具栏。
选择菜单栏\View\Toolbox andToolbars,勾选Tool Settings中Main Toolbar,弹出工具栏。
1.5ADAMS中按F4调出位置/坐标显示。
1.6设置重力加速度。
选择菜单栏\Setting\Gravity,设置重力加速度,此时弹出Error对话框。
选择“Create Model”,并起名为“Qiu1”,点击“OK”再次选择菜单栏\Setting\Gravity,设置重力加速度:勾选Gravity前方框,点击-Y*,如下图示,点击“OK”。
1.7设置单位。
选择菜单栏\Setting\Units,设置单位,此时弹出“UnitsSettings”对话框,点击“MKS”按钮,各单位符号如右图示,点击“OK”。
1.8建立半径10cm的球,放置在点(0,0,0)上。
“右键”点击主工具栏第一排第二个符号-刚体:连杆,弹出扩展工具符号,选择第二排第一个符号-刚体:球,勾选Radius前方框,则此球半径为10.0cm。
1.9建立球与大地之间移动副。
“右键”点击主工具栏第二排第二个符号-连接:旋转副,弹出扩展工具符号,选择第二排第一个符号-连接:移动副。
该移动副属性为2个构件,1个作用点。
鼠标动作顺序为:1.左键点击“ground”一次,选取大地为第一个构件;2.左键点击球体一次,选取球为第二个构件;3.右键在球心位置点击一次,弹出Select对话框,左键双击“PART_2.cm”;4.右键在球心位置点击一次,弹出Select对话框,左键双击“PART_2.cm.Y”。
adams与matlab联合仿真例子(正确没商量)
Adams与Matlab联合仿真例子作者寄语:这个文件是基于李增刚《adams入门详解与实例》一书中,Adams与Matlab联合仿真的例子,以及一个名为《2013版ADAMS与Matlab联合仿真(绝对正确版)》的pdf文件上修改来,为了方便起见,用了一些复制、粘贴,所以中间的一些过程会和这两个文件有所重合,不要惊讶,也不要吐槽。
做这个例子的目的,是站在一个普通学习者的角度,介绍联合仿真,和众多学习adams的人共勉。
我的结论是:以上两个例子中的结果并不矛盾,都是正确的,基本上看了我的例子后,他们的也就懂了。
李增刚第236页开始。
《2013版ADAMS与Matlab联合仿真(绝对正确版)》1、知识储备以上两个例子都用到了PID控制(比例(proportion)、积分(integral)、微分(derivative)控制器)比例就是对误差乘以一个系数积分就是对误差积分然后再乘以一个系数微分是对误差求导注意我的模型,上面是角速度Angle velocity,下面是角度angle,这里的积分是对angle进行积分,导致上面两个例子的不同也就在这,这个地方尤其要注意,不要上下搞反了。
表示的是对angle乘以一个系数,这里选了1,为比例调节,即P调节。
就是对angle的积分,(就是累加的意思),即I调节,然后乘以了系数1。
因为输出的是角速度,角速度就是angle的微分的,所以不用做什么操作,后面乘以了一个系数1。
然后这三个相加起来作为反馈调节,所以用了这个模块,这个表示累减。
将角度值送到Matlab的workspace工作空间,这个表示把时间送到workspace中去,因为角度这里是角度与时间的函数。
注意:这些模块不是必要模块,我只是为了做对比而加上去的,去掉不会对仿真产生影响,但是如果要加的话这两个模块缺一不可。
我的软件是adams2012与Matlab 7.12.0(R2011a)。
现在进入正题1、设置单位启动ADAMS/View,选择新模型,在模型名输入link。
基于ADAMS和MATLAB的机器人联合运动仿真
三角 函数有关 , 其位移 函数是正 弦函数和余 弦函
第2 期
胡蕴博 : 基
A D A MS 和 MA T L A B的机器人联合运动仿真
器 人第 四关 节 上 的末 端执 行 器 L S 3 一 S H A F T ( 根 据 实 际 工作 需 求 设 计 ) 能 在许 用 范 围 内 的水 平 面 上
1 L 0 l
o - J
' ]
( 1 )
约束副。由图4 可 以看 出 , E 1 机 器 人虚 拟 样 机模 型 包含 6 个 约束 副 , 分别由3 个 固定副 、 2 个 旋转 副
及1 个 平 面副组 成 。
I 1 c o s 1 I
脚 c=
l L L 0 s i n 0 j l
实现匀速位移 , 这需要第一关节和第二关节协调
配 合才 能实 现 。 本 文 的仿 真 分 析 将 探 究 L S 3 一 S HA F T在 水 平 面 上 匀 速运 动 时 , E1 机器 人 第 一关 节 和 第 二关 节 之 间的相互 运 动关 系 。 为 了满 足上 述研 究 要求 , 在A D AMS 中将 机器
l 在 A D A M s 中 对 E 1 机 器 人 施 加 约 束 和 驱 动
设置机器人仿真运行参 数
由于 S o l i d Wo r k s 和A D A MS 之 间不 能 进 行 无 缝连接 , 直 接 将 机 器 人 的三 维 实体 模 型 导 人 A D .
A M S 中会 造成 图形 元素 的丢失 。故先 在 S o l i d —
Wo r k s 中将 机 器 人 的 三 维 实 体 模 型 文 件 转 换 为 P a r a s o l i d 格式 , 再 通 过 AD A MS / Vi e w窗 口中 的 I m —
基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真-精品
毕业论文(设计)题目基于ADAMS和MATLAB的六自由度机械手运动仿真系部机械工程系专业年级学生姓名学号指导教师手术机器人的运动仿真机械设计制造及其自动化学生指导老师【摘要】:首先进行了背景知识的学习,包括手术机械手基本知识的了解,明确了手术机械手的应用环境,国内外研究趋势,以及手术机械手中主要涉及的关键技术。
学习了有关虚拟样机的知识,了解了各种仿真软件的优劣,最终确定了采用ADAMS进行仿真分析。
学习仿真软件ADAMS。
通过实际操作ADAMS软件,并进行大量的实例练习,对软件能熟练的使用,然后查阅相关资料,明确使用该软件要达到的最终目的,并确定方法。
建立仿真模型。
对本文所使用的机器人的结构进行详细了解,并在Solid Works软件中建立出机器人的各个零件的三维模型,并在Solid Works环境中进行了装配,检查了装配结果。
然后查阅资料,了解Solid Works与ADAMS软件之间的数据是如何传输的,并确定本文所使用的传输方法。
在仿真软件中处理模型。
将模型导入仿真软件中,对其进行相应的处理,进行了修改质量、添加约束等,然后创建驱动函数等操作,最后验证仿真模型。
为仿真做好准备。
仿真运行及数据测量分析。
在软件中对机器人进行仿真,并测出其运动特性曲线,并对曲线进行分析。
进行了论文写作。
【关键字】:机械手仿真 ADAMS SOLIDWORKSDigital Dual-Longitudinal Mode LaserThermal Frequency Stabilization Circuit Design【Abstract】:First, the background knowledge for learning, including basic knowledge of surgical robot to understand clearly the surgical robot to be With the environment, domestic and international research trends, and the surgical robot mainly related to key technologies. Learning to know about the virtual prototype Knowledge, understanding the advantages and disadvantages of various simulation software, and ultimately determine the use of ADAMS simulation analysis. Learning simulation software ADAMS. ADAMS software through hands-on and a lot of instances of practice, the use of software proficiency, and access to relevant information, Explicitly use the software to achieve the ultimate goal, and identify methods. Build simulation models. Robot used in this article the knot Detailed understanding of structure, and Solid Works software to create the robot in various parts of the three-dimensional model, and in the Solid Works environment was assembled to check the assembly results. And access to information, understanding between Solid Works and ADAMS, How the data is transmitted, and to determine the transmission method used in this article. Processing model in the simulation software. The model into simulation Fax software and to carry out the appropriate treatment, were revised quality, add constraints, and then create the drive functions and other operations, Finally, simulation model validation. Ready for simulation. Simulation run and the data measurement and analysis. In the software simulation of the robot True, and measure its movement characteristic curve, and curve analysis. Conducted a thesis writing.【Key words】: robot simulation ADAMS SOLIDWORKS目录1.绪论 (1)1.1.研究背景 (1)1.2.研究意义 (2)1.3.研究内容 (2)2.虚拟样机技术 (4)2.1.虚拟样机技术的内容 (4)2.2.虚拟样机技术与传统CAX(CAD/CAE/CAM)技术的比较 (5)2.3.虚拟样机技术的应用 (6)3.ADAMS软件 (8)3.1.ADAMS的功能概述 (8)3.1.1.ADAMS 的一些主要模块 (8)3.1.2.ADAMS建模、仿真步骤 (9)3.2.ADAMS的建模功能 (10)3.2.1.ADAMS中的零件 (10)3.2.2.在零件上施加约束和运动 (11)3.2.3.给零件施加作用力 (12)3.3.ADAMS的分析功能 (12)3.3.1.ADAMS中的测量 (12)3.3.2.系统元素和数据元素 (13)3.3.3.用ADAMS对模型进行仿真 (13)4.机械手三维模型建立 (15)4.1.SW概述 (15)4.2.机械手零件建模 (15)4.3.机械手装配 (19)4.4.SW与ADAMS数据传递 (21)5.基于ADAMS的仿真分析 (23)5.1.导入机器人模型及设置工作环境 (23)5.1.1.导入机器人模型 (23)5.1.2 设置工作环境 (24)5.2.修改机器人模型的材料、颜色、名称及验证模型 (26)5.2.1.修改机器人模型的材料 (26)5.2.2.修改机器人各构件的颜色及名称 (26)5.2.3.检查模型 (28)5.3.创建约束及驱动 (28)5.3.1.创建约束 (28)5.3.2.创建驱动 (31)5.4.验证模型 (32)5.5.仿真控制 (33)5.6.运动学仿真 (34)5.6.1.仿真过程及机器人末端的运动轨迹 (34)5.6.2.机器人末端点的测量 (35)6.结论与展望 (38)参考文献 (40)致谢 (41)1.绪论1.1.研究背景机器人技术是一种综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学最新研究成果的综合性技术,是机电一体化技术发展进步的典型代表。
ADAMS和MATLAB联合仿真技术应用
第27卷第5期2009年9月北京工商大学学报(自然科学版)Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition )Vol 127No.5Sep.2009 文章编号:167121513(2009)0520014204ADAMS 和MAT LAB 联合仿真技术应用衣袖帅1, 黄志刚1, 孙明涛2(11北京工商大学机械工程学院,北京 100048;21华北电力大学后勤与资产管理处,北京 102206)摘 要:针对ADAMS 不能对机械系统实现复杂控制的状况,提出了将ADAMS 与控制应用软件MA TLAB 结合起来对系统进行联合仿真的方法.以汽车ABS 控制系统为例,研究ADAMS 和MA TLAB 之间的接口,实现了复杂机电系统的联合仿真.关键词:ADAMS ;MA TLAB ;联合仿真;防抱制动系统中图分类号:TP39119;U463152+6 文献标识码:A 收稿日期:2009205206基金项目:北京市高校骨干教师资助项目(2007—2009).作者简介:衣袖帅(1982—),男,山东招远人,硕士研究生,研究方向为汽车电子;黄志刚(1966—),男,上海人,教授,博士,主要从事车辆工程、农产品加工及贮藏的研究.通讯作者. 随着计算机技术的普及和发展,利用软件进行辅助设计与分析已经成为产品设计的一项重要工作.但是这些软件通常彼此之间各自独立工作,缺乏整体协同交互,设计中存在的问题只有在物理样机上进行集成测试的时候才能被发现,这导致设计效率的下降,造成大量的人力物力浪费.基于多领域的建模与仿真的虚拟样机技术很好地解决了这个问题,为机械和控制系统进行联合分析提供了一种全新的设计方法.在传统的机电一体化研究设计过程中,机械工程师和控制工程师虽然在共同设计开发一个系统,但是他们各自都需要建立一个模型,然后分别采用不同的分析软件,对机械系统和控制系统进行独立的设计、调试和实验,最后进行机械系统和控制系统各自的物理样机联合调试,如果发现问题又要回到各自的模型中分别修改,然后再联合调试.而使用ADAMS (automatic dy 2namic analysis of mechanical system ,简称ADAMS )和MA TLAB 的联合仿真,各个专业的工程师在设计过程中可以共享一个产品虚拟样机,无需制作物理样机就能够随时对虚拟样机的整体特性进行反复的仿真测试,直到获得满意的设计结果[1].现以汽车防抱死制动系统为例,介绍ADAMS 与MA TLAB 联合仿真的方法.1 ADAMS 和MAT LAB 软件111 ADAMS 简介ADAMS 软件是美国MDI (Mechanical Dynam 2ics Inc.)公司开发的机械系统动力学仿真分析软件,它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库,创建完全参数化的机械系统几何模型,其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,输出位移、速度、加速度和反作用力曲线.ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等[2].ADAMS/Controls 是ADAMS 软件包中的一个集成可选模块.在ADAMS/Controls 中,设计师可以设计简单的控制机构,也可以利用通用控制系统软件(如MA TLAB ,EASY5)建立控制系统框图,建立包括控制系统、液压系统、气动系统和机械运动系统的仿真模型.112 MAT LAB 简介MA TLAB 是Mathworks 公司推出的一套高性能数值计算和可视化软件,在系统建模和仿真、科学和工程绘图及应用程序开发等方面有着广泛的应用.Simulink 是MA TLAB 最重要的软件包之一,它41具有面向框图的建模与仿真功能,可以很容易地构建动态系统的仿真模型,准确地进行仿真分析.Simulink 模块库的模块允许用户在一个GU I 框架下面对含有控制环节、机械环节和电子/电机环节的系统进行建模与仿真,这是目前其他计算机语言无法做到的[3].2 ADAMS 与MAT LAB 联合仿真设计步骤211 构造ADAMS 样机模型对于简单的集合模型可以利用ADAMS 软件直接建模.而对于比较复杂的模型,可以在各种三维建模软件,如Soliworks 、U G 等中进行,然后按照一定的格式导入到ADAMS 中,再给模型施加约束和作用力.在进行机械和控制系统联合仿真分析之前,应该先利用ADAMS 进行机械系统的仿真分析,确认机械系统建模正确无误,再向样机添加控制系统.212 确定ADAMS 的输入输出ADAMS 的输入输出是与MA TLAB 设计的控制系统进行数据通信的接口.ADAMS 中的输出变量是进入控制系统的输入变量;控制系统的输出变量是返回到ADAMS 的输入变量,从而完成了包括从ADAMS 和MA TLAB 的一个闭环控制,如图1.实际上,ADAMS 中的输入变量相当于要求的控制量,输出变量相当于虚拟传感器的测量量.图1 ADAMS/MA TLAB 的输入输出213 构建控制模型利用MA TLAB/Simulink 提供的模块库或者用户自行编写S 函数建立控制系统模型,设置各个模块的参数与所需要的测量量.同时,把ADAMS 环境中建立的虚拟样机系统模型模块导入到Simulink 中.214 联合仿真在Simulink 环境下设置仿真参数,其中仿真的步长必须跟ADAMS 环境中的步长一致,如果不一致仿真只能进行第一个补偿后就自动停止.然后对虚拟样机模型进行联合仿真,绘出仿真曲线,观察仿真结果.根据需要随时修改机械系统或者控制系统.直到整个虚拟样机达到要求为止.3 联合仿真在汽车制动系统中的应用防抱死制动系统(anti 2lock braking system ,简称ABS )的主要功能是在汽车制动过程中,自动调节车轮轮缸的制动压力,把车轮的滑移率控制在一定范围内,防止车轮抱死,提高汽车紧急制动的稳定性和方向可控性,缩短制动距离,延长轮胎的使用寿命[4].311 制动器模型及输入输出在ADAMS 的Template Builder 模型下导入制动器模型,制动器模型如图2.图2 制动器模型在Build/System Elements/State Variable/new中第一系统的状态变量,如图3.图3 系统的状态变量此控制系统一共定义了4个状态变量,分别如下:1)brake -abs1.left -front -brake -pressure -in 2put ;2)brake -abs1.left -rear -brake -pressure -in 2put ;3)brake -abs1.right -front -brake -pressure -in 2put ;51第27卷第5期 衣袖帅等:ADAMS 和MA TLAB 联合仿真技术应用4)brake -abs1.right -rear -brake -pressure -in 2put.这4个输入由控制模型输出,同时作为制动系统的输入,作为制动压力的变化系数.输出变量是系统的测量,分别如下:1)testrig.body -velocity -x ,输出样机模型在X 轴上速度;2)brake -abs1.left -front -wheel -omega ;3)brake -abs1.left -rear -wheel -omega ;4)brake -abs1.right -front -wheel -omega ;5)brake -abs1.right -rear -wheel -omega.2)~5)分别为样机模型的4个轮的轮速.以左前轮制动力矩为例:M =23VARVAL (left -front -brake -pressure -input )3pvs -front -piston -area 3varval (left -front -brake -line -pressure )3pvs -front -brake -mu 3pvs -front -effective -piston -radius 3STEP (VARVAL (left -front -wheel -omega ),-010175,1,010175,-1),(1)式(1)中,pvs -front -piston -area ———制动器摩擦衬块有效作用面积;left -front -brake -line -pressure ———左前轮缸制动压力;pvs -front -brake -mu ———制动器摩擦系数;pvs -front -effective -piston -radius ———制动器摩擦衬块有效作用半径.然后将ADAMS 转换到ADAMS/Car Standard Interface 模式下.首先要组装制动器子系统,然后将制动器子系统组装到整车模型中.整车模型如图4.图4 整车模型312 设置ADAMS 与MAT LAB 的接口从菜单Tools 选择Plugin Manager 命令,该对话框提供了几个模块供ADAMS/Car 加载.选取Controls 模块,单击Ok.此时在ADAMS/Car 中可以看见Controls 菜单,在Controls/Plant Export 中设置控制系统输入输出变量,如图5.图5 联合仿真接口313 联合仿真工况设置单击Simulated/Full 2Vehivle Analysis :Braking ,对整车模型的初始速度,仿真步长、制动踏板力以及时间迟滞进行设置.本文的仿真工况如图6.图6 仿真工况设置314 系统的联合仿真在MA TLAB 命令窗口中输入ADAMS/Con 2trols 生成的1M 文件的名字,这时命令窗将显示系统输入输出,然后在输入adams -sys 命令系统将显示整车模型.将此整车模型复制到一个新建的simulink 页面中进行控制系统的设计,整车ABS 控制系统的模型如图7.61北京工商大学学报(自然科学版) 2009年9月图7 整车控制模型315 联合仿真的结果图8为制动过程中速度变化曲线,图9为左前轮轮速变化曲线,图10为整车模型的制动距离.图8 车速仿真结果图9 左前轮角速度仿真结果图10 制动距离仿真结果 从图8~10的仿真数据显示,在制动过程中,制动效果明显,制动时间为211s ,制动距离为2315m ,制动过程车轮没有抱死,制动结果满足国家标准[5].4 结 论本文利用ADAMS 和MA TLAB 软件成功地对汽车ABS 控制系统进行了仿真分析.在仿真过程中不需要推导机械系统的复杂微分方程,直接用ADAMS 建立的虚拟模型进行分析,大大方便了建模过程.而且通过ADAMS 软件建立的虚拟模型能更好地接近实际物理模型,与那些近似线性化的简易数学模型相比,这为我们以后的物理样机试验提供了更为可靠的依据.参考文献:[1] 熊光楞,郭斌,陈晓波,等.协同仿真与虚拟样机技术[M ].北京:清华大学出版社,2004:5215.[2] 李军,邢俊文,覃文浩,等.ADAMS 实例教程[M ].北京:北京理工大学出版社,2002:123.[3] 吴晓燕,张双选.MA TLAB 在自动控制中的应用[M ].西安:西安电子科技大学出版社,2006:45247.[4] 张云清,熊小阳,陈伟,等.基于车轮减速度及滑移率的ABS 联合仿真研究[J ].系统仿真学报,2008,20(8):2171-2176.[5] 中国汽车工业协会.G B13594—2003 机动车和挂车防抱制动性能和试验方法[S].(下转第21页)71第27卷第5期 衣袖帅等:ADAMS 和MA TLAB 联合仿真技术应用STU DY OF SCANNING METH OD AN D ITS T OLERANCEOF LINEAR ARRAY MICR OPH ONE BASED ON NAHL I Xiao2chen, FEN G Tao, TAN G Xiao2hua, L I Ze2chao(College of Mechanical Engi neeri ng,Beiji ng Technology and B usi ness U niversity,Beiji ng100048,Chi na)Abstract:In this paper,a study on planar near2field acoustical holography scan measurement method and how window function and K2space filter affect holography reconstruction is presented.Firstly, holography scan measurement on the acoustic source in three parallel planes is taken,then the acoustic pressure of the other two planes is holography reconstructed using the measured acoustic pressure of the middle plane,and finally the reconstructed and the measured results are compared,which shows that the acoustical holography scan measurement method is reliable and the holography reconstruction is correct.K ey w ords:near2field acoustical holography;window function;K2space filter(责任编辑:檀彩莲) (上接第17页)APPLICATION OF ADAMS AN D MAT LABCO2SIMU LATION TECHN OLOG YYI Xiu2shuai1, HUAN G Zhi2gang1, SUN Ming2tao2(1.College of Mechanical Engineering,Beijing T echnology and B usiness University,Beijing100048,China;2.Logistics and Asset Management,North China Electronic Power University,Beijing102206,China)Abstract:In view of ADAMS could not realize complex controls of mechanical system,the co2simula2 tion technology is present with ADAMS and MA TLAB.Through ABS control system of car as an ex2 ample,the connection between ADAMS and MA TLAB is studied to realize the co2simulation of the more complex electro2mechanical system.K ey w ords:ADAMS;MA TLAB;co2simulation;anti2lock braking system(责任编辑:檀彩莲)12第27卷第5期 李啸尘等:近场声全息线阵传声器“扫描”测量方法及其误差研究。
机器人设计与仿真基于Adams与Matlab的案例分析与实现
机器人设计与仿真基于Adams与Matlab的案例分析与实现机器人设计与仿真是现代机器人工程领域的核心内容。
这个系列课程旨在帮助学习者掌握使用Adams和Matlab工具进行机器人设计、建模、控制算法开发和仿真分析的技能。
通过理论讲解和实践案例分析,学习者将了解机器人设计的基本原理和方法,并学会将其应用于实际机器人项目中。
课程共分为:基础篇以机械结构中常见机构为仿真示例,其中包含了平面四杆机构、凸轮机构、滑轮组、带传动、齿轮传动等,讲解了Adams/View的操作技巧和实战运用。
学员可:1、掌握Adams/View仿真基本流程。
2、掌握机械结构中常见机构的工作原理。
3、熟练Adams/View在机械系统仿真时常用模块及功能。
4、掌握在Adams中建立柔性体的流程。
5、熟悉Adams和MATLAB机电联合仿真技巧。
强化篇结合串联机器人、并联机器人、特种机器人及机器人控制系统的相关理论知识,运用MATLAB及Adams软件的编程和动力学仿真的强大功能,快速入门机器人领域。
学员可:1、熟悉机器人相关理论知识;2、掌握机器人基础性分析流程3、掌握MATLAB和Adams软件联合验证仿真以串联机器人作为机器人领域的入门,本小节主要以串联机器人的运动学建模、雅可比矩阵及奇异性分析、工作空间分析、轨迹规划及动力学分析为核心内容,通过理论建模,MATLAB编程计算,Adams仿真求解验证的方式,帮助各位学员更加深入理解机器人的基础理论知识。
以并联机器人中两种常见机器人(Delta、Stewart)为主要研究对象,讲解了并联机器人的基础性理论知识和仿真流程,同时,对Stewart平台通过MATLAB编程的方式进行了结构优化,通过Adams的仿真验证了优化结果。
简介特种机器人的发展状况,以四足机器人为研究对象,对其进行了运动学分析和关节空间轨迹规划,在通过MATLAB和Adams联合仿真的方式实现了四足机器人的行走。
基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究
【 btat oipoet ei f i c bt r avtas u i s m wsbi b A s c】T r h dsne c nyo r o a iul i l o s t a ut y i r m v e g f e f o m, r m  ̄ n y e i l
MA -q , Ru i HAO u n — iZHENG e- e Sh a g hu , W i f ng, HAO n - uiSONG o y Mi g h , Ba - u
( c ol f c arnc n , abnIs tt o eh ooy H ri 10 0 , hn ) S h o o ht is g H ri tue f c n l , abn 0 C ia Me o E ni T g 5 1
【 要】 摘 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 :
Sl w rs中建立 了四关 节机械臂 的实体模 型 ; oi ok d 然后将 其导入 动力 学仿 真软件 A a dms中, 进行运 动 学及 ;
动力 学仿 真 ; 最后 通过 A a s Ma a dm 与 t b的接 口模 块 A a / nrl利 用 Mal /i uik 块搭 建 了机 ? l d ms o t , c o t bSm l 模 a n
需要 的各 种 驱 动方式 。 了验 证 机械 臂 系统 运动 的有 效 性及 可 靠 为
性 ,以肩关节为例 ,定义机械臂肩关节的驱动 函数为 :uci F nt n o
(me=4 . *I (me。在 此驱 动函数 的驱 动下 , 仿真 时 间 t )- 0 d SN t ) i - O i 设置
f Mal o w r n oria ds a o o r o t bs t aea dcodn e i l inof u e o a ucs ul ipe e td T es l- ÷ a f t mut f d m W sc es l lm ne . h i a s f ym mu
基于ADAMS和MATLAB的机械臂控制仿真
邮局订阅号:82-946360元/年技术创新博士论坛《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注基于ADAMS 和MATLAB 的机械臂控制仿真The two degrees of freedom manipulator control simulation based on ADAMS and MATLAB(河北大学)宗晓萍李月月ZONG Xiao-ping LI Yue-yue摘要:运用多体系统动力学分析软件ADAMS 建立虚拟模型,运用MATLAB 建立控制方案,对虚拟模型进行控制,将两者结合起来对二自由度机械臂关节角度进行控制,结果表明ADAMS 和MATLAB 的联合控制是直观而有效的。
关键词:ADAMS;MATLAB;机械臂;联合控制中图分类号:TP15文献标识码:BAbstract:Employing multi -body systematic dynamic analysis software ADAMS to create a virtual model,and employing MATLAB software to establish the control of the virtual model,with the combination of the two above,it is to control the robot arm joint an -gles of the two degrees of freedom manipulator.The results show that the joint control by ADAMS and MATLAB is intuitive and ef -fective.Key words:ADAMS;MATLAB;manipulator;Joint control文章编号:1008-0570(2009)12-2-0029-021引言ADAMS 软件为用户提供了强大的建模、仿真环境,使用户能够对各种机械系统进行建模、仿真和分析,但是对于控制系统设计,ADAMS 软件提供的控制工具箱不够强大,而MATLAB 中的Simulink 模块具有强大的控制功能,能够帮助用户构建控制模型,如果将两者结合起来使用,充分发挥它们各自的优势,不仅可以直观的观察到目标的运动过程,而且可以建立复杂的控制方案,为机械系统研究提供便利。
基于ADAMS与MATLAB的数控机床伺服进给驱动系统联合仿真
Uni t e d S i mu l a t i o n a b o ut CNC Ma c hi ne To o l Fe e d Dr i v e Sy s t e m Ba s e d o n ADAM S a n d M ATLAB
t e n r mo d e l o f s e n r 0 f e e d s y s t e m wa s b u i l t b y MAT L AB /S i mu l i n k mo d u l e . Ba s e d o n t h e i n t e r f a c e b e t w e e n ADAMS a n d MA T LA B / S i mu — l i n k , me c h a n i c a l — e l e c t r o n i c C O — s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d,a n d t h e c o mp l e x me c h a n i c a l — e l e c t r o n i c s y s t e m C O — s i mu l a t i o n w a s r e ・
,
YE Xi a n b i n. ZHANG Do n g s h e n g. F ENG Bi n
( S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,X i ’ a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,X i ’ a n S h a a n x i 7 1 0 0 4 ,C h i n a )
Matlab与Adams联合仿真的实现(3-3)
Matlab与Adams联合仿真的实现(3-3)最后使⽤MATLAB的Simulink建⽴控制系统:打开Matlab,进⼊刚才的⼯程的⽬录,输⼊刚才的产⽣的m⽂件的⽂件名运⾏,它会做⼀些初始化⼯作。
打开此m⽂件可以看到,它会向Matlab⼯作⽬录添加ADAMS的路径,如X:\MSC.Software\MSC.ADAMS\2005\win32下的adams_plant.dll库函数,是adams_sub的核⼼,ADAMS提供了⼀个S函数,⽤于ADAMS和Simulink联合仿真的调度和通信,如果Simulink找不到它,则仿真就不能运⾏,⽽运⾏那个m⽂件将⾃动向Matlab⼯作⽬录添加以上路径。
另外它还会向当前⼯作空间添加⼀些变量,联合仿真时,Simulink会⽤到,所以每次要做联合仿真时都要先运⾏此m⽂件,在Matlab中输⼊who命令可以看到这些变量。
注意:运⾏以上m⽂件时可能会出警告,不⽤管它。
Warning: Function d:\MSC~1.SOF\MSC~1.ADA\2005\win32\amd.dll has the same name as a MATLAB builtin. We suggest you rename the function to avoid a potential name conflict.然后是导⼊ADAMS模块并使⽤,输⼊adams_sys,将弹出adams_sys_.mdl的模块窗⼝并保存到当前路径,如下上⾯这些就是联合仿真时要⽤到的ADAMS模块,其中S-Function是实现⾮线性MSC.ADAMS模型的,State-Space是线性化的MSC.ADAMS模型,adams_sub包括S-Function和其它变量。
要构建⾃⼰的控制系统时,直接将要⽤到的拖到⾃⼰的Simulink模型中,然后做如下设置即可双击adams_sub模块,出现此⼦系统的框图如下双击MSCSoftware,出现设置对话框这⾥⾯就是ADAMS模块可以设置的属性,可以看到,这⾥⾯已经填好了Matlab⼯作空间中的变量,这些变量就是刚才那个m ⽂件产⽣的,可以修改相应变量的值来达到对ADAMS模块的设置。
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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。
图 5 机械臂控制结构
3.2 关节Biblioteka 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。
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 的腕关节则直接由伺服电机驱动。 机械臂三维模型, 如图 1 所示。
腕关节 小臂 肘关节 大臂 肩关节 腰关节
Z Y X
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
Angular Velocity(deg/sec ) 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 0.0 -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
No.4 Apr.2010
机械设计与制造
图 10 所示。 特性及跟踪特性, 如图 9、
3.5 3 Angle(d ) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Time(s )
阶跃信号 响应信号
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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。
*基金项目: 863 计划专题课题 (2006AA04Z231 )
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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
Y Z X
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。
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。
5.0
Time(s )
10.0
15.0
觶 Ti =Kp ( ) -Kvi θ i θref - 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。
θref Kpi Ti Kvi 觶 θ θ 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。
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
Research on coordinated simulation of robot arm based on MATLAB and ADAMS
MA Ru-qi, HAO Shuang-hui, ZHENG Wei-feng, HAO Ming-hui, SONG Bao-yu (School of Mechatronics Eng, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China ) 【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 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】To improve the design efficiency of robot arm, a virtual simulation system was built by a three-dimensional model of the robot arm with making full use of the virtual simulation technology. First, four-freedom was built in Solidworks software;and then, the model was imported into the dynamic simula- tion software Adams for kinematic and dynamic simulation;At last, through the interface modular part (Adams/control ) of Matlab and Adams, robot arm control system was established by using simulink module of Matlab software and coordinated simulation of four-freedom was successfully implemented. The simula - tion results indicate that the coordinated simulation system of the robot arm has preferable dynamic re - sponse characteristics and nicer locus-tracking ability. Key words: Robot arm; Coordinated simulation; Virtual prototype; Motion simulation; ADAMS; MATLAB 中图分类号: TH16, TP242 文献标识码: A