机械手夹持机构运动与控制的联合仿真

李海斌，陈奎生，罗 洁

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081)

机械手夹持机构运动与控制的联合仿真

李海斌，陈奎生，罗 洁

(武汉科技大学机械自动化学院，湖北 武汉，430081)

设计一种基于凸轮运动原理的简易机械手夹持机构，以期将其应用于机械臂的末端夹持装置和管道攀爬机器人的手爪。建立夹持机构的简化三维模型，在ADAMS环境下对其进行运动学与动力学仿真。通过ADAMS/Control接口模块，在Simulink中搭建夹持机构的联合仿真控制系统，利用三闭环PID控制方法进行机械系统与控制系统的联合仿真分析。仿真结果表明，所设计的夹持机构系统具有良好的动态响应和轨迹跟踪特性。

机械手；夹持机构；虚拟样机；PID控制；联合仿真

在现代工业生产中，机械手被广泛应用于物料的抓取、传送以及大型机械设备的组装操作。随着管外爬行机器人技术的迅速发展，对机械手的夹持能力和环境适应性也提出了更高的要求。机械手的核心部分是夹持机构，因此对夹持机构的设计、调试和试验是机械手设计中的重要工作。基于多领域建模与仿真的虚拟样机技术允许随时对虚拟样机的整体特性进行反复实验，而不用花费大量的人力物力去反复制造物理样机，极大地缩短了机械设备的开发周期，同时能有效地提高机械设备的性能[1-2]。本文利用ADAMS与MATLAB的联合仿真技术对机械手夹持机构的运动与控制问题进行研究，以期通过联合仿真分析获得满意的设计结果，为其物理样机的制作提供理论依据。

1 机械手夹持机构

机械手夹持机构的结构示意图如图1所示。从图1中可知，此夹持机构由直流电机、凸轮、弹簧、夹板(包括正反两块，对称安装)、夹臂(包括左夹臂和右夹臂)构成。直流电动机通过联轴器与凸轮联接，左右夹臂通过弹簧联接，正反夹板上端与左右夹臂旋转铰接在一起，正反夹板下端与直流电动机铆接在一起。整个夹持机构由专门的直流电机驱动模块对电机进行驱动，电机的转动带动凸轮与弹簧相应地运动，进而实现左右夹臂的旋转。因此，通过控制直流电机的旋转角度就可以实现机械手的抓紧与放松。

Fig.1 Structural diagram of the manipulator clamping device

2 机械系统的建模与仿真

利用Pro/E软件建立夹持机构各零件及装配体的三维模型，将装配体模型导入ADAMS/View中进行分析。对导入到ADAMS中的三维模型添加相应的约束和驱动，具体的拓扑结构如图2所示。照此拓扑图添加约束，使夹持机构的各个构件之间有确定的约束关系[3]，保证仿真时各个构件具有正确的运动。定义约束和驱动后的模型如图3所示。

对驱动关节施加一个常数驱动进行仿真，以验证模型的正确性。若验证结果有误，则修改直至正确；若验证正确，则解除施加在驱动关节处的常数驱动，在此处施加一个单向驱动力矩。此力矩由控制系统输入，即直流电机输出的驱动转矩。

Fig.3 Clamping mechanism model with added constraint and drive

3 联合控制结构的导出

为实现机械系统与控制系统的数据传递，在ADAMS中创建联合控制仿真时所需的输入输出变量。ADAMS中的输入、输出是与基于MATLAB的控制系统进行数据交换的接口，MATLAB中的输出变量是进入机械系统的输入变量，机械系统的输出变量是返回到MATLAB的输入变量，从而形成了一个闭环的控制系统，如图4所示。

Fig.4 Relationship of state variables between mechanical system and control system

在Controls/Plant Export模块中完成控制系统输入、输出变量的设置后，即可导出联合控制结构，包括用于联合仿真的.m文件和Simulink仿真模块(即adams_sub模块)。所定义的输入变量为Torque,对应电机的输出转矩，它的返回值作为凸轮旋转运动的控制力矩(驱动力矩)；输出变量有：Spring_force、Tulun_Angle、Tulun_AngularVelocity、Xuanzhuan_Angle,分别对应拉伸弹簧的弹力、凸轮质心绕Y轴旋转的角度、凸轮质心绕Y轴旋转的角速度和左右夹臂交叉处中心点绕Z轴旋转的角度。在运行一个仿真步时，MATLAB与ADAMS通过adams_sub数据交换模块来实时地进行状态变量值的交换，进而依据此次读取的输入状态变量值进行各输出状态变量值的求解，依次循环求解下去，直至仿真结束[4]。

4 控制系统建模与联合仿真

机械手夹持机构是一个单输入、多输出的强耦合复杂机电一体化系统，要对其运动过程实现比较精确的控制，就必须采用双闭环或多闭环的运动控制方法，使其能够比较准确地跟踪预定的轨迹路线。机械手夹持机构基本的运动控制系统模型如图5所示。

Fig.5 Motion and control system of the clamping mechanism

根据具体的夹持机构物理参数，按照上述的基本运动控制模型，在Simulink里建立此夹持机构的联合控制系统模型，如图6所示[5]。

在搭建的控制模型中，针对旋转关节、驱动关节和拉伸弹簧，采用PID控制策略进行位置和作用力的联合控制，形成三闭环的PID控制反馈回路：第一路是旋转关节的旋转角度(Xuanzhuan_Angle)控制、第二路是拉伸弹簧的弹力大小(Spring_force)控制、第三路是驱动关节的旋转角度(Tulun_Angle、Tulun_AngularVelocity)控制。通过对三路反馈信号的控制，在联合仿真过程中动态修改PID控制参数，实现对机械手夹持机构的轨迹控制要求，最终保证夹持机构能够实现比较平稳的夹紧和放松动作，保证其较高精度的轨迹跟踪特性。

对控制系统模型进行联合仿真时，分别以正弦角速度信号测试其轨迹跟踪特性、以阶跃角度信号测试其阶跃响应特性，得到的响应曲线如图7和图8所示，在阶跃信号作用下施加在驱动关节处的驱动力矩变化曲线如图9所示。由图7可知，在正弦信号作用下，驱动关节角速度的实际输出值与给定值非常接近，只是在时间上有很小的滞后，表明驱动关节可以比较精确地跟踪给定的轨迹路线，具备良好的轨迹跟踪特性。由图8可知，在阶跃信号作用下，旋转关节所需要的响应时间很短，能在此时间内由初始角度快速旋转并稳定到指令给定的目标角度，进而实现夹持机构中夹臂位置的快速、准确控制；此时从图9所示的测量结果可以看出驱动关节的驱动力矩响应也较快，并能稳定在给定的目标位置，没有出现剧烈的振荡。

Fig.7 Sinusoidal tracking curve in the control system of co-simulation

Fig.8 Step response curve in the control system of co-simulation

5 结语

本文针对机械手夹持机构的运动和控制需求，利用虚拟样机设计方法，基于ADAMS与MATLAB的联合仿真功能对夹持机构进行了运动与控制的仿真研究。通过对机械系统的运动仿真，验证了机械手夹持机构系统的可行性，得到了机械系统的重要设计参数，为实物样机的设计与制作提供了参考。通过对控制系统的联合仿真，可以动态地观察夹持机构的运动状况，获得了控制系统的各控制参数，大大地缩短了设计周期、降低了机械手夹持机构的开发成本。所设计的机械手夹持机构系统具有良好的动态响应和轨迹跟踪特性。

[1] 衣袖帅,黄志刚,孙明涛.ADAMS和MATLAB联合仿真技术应用[J].北京工商大学学报:自然科学版, 2009, 27(5):14-17，21.

[2] 马如奇,郝双晖,郑伟峰，等.基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究[J].机械设计与制造,2010(4):93-95.

[3] 姚钦,刘永光,刘质加.基于ADAMS与Matlab 的数控机床进给系统联合仿真[C]//第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议论文集，2008.

[4] 李杰仁,马吉胜,郑海起，等.某高炮自动机虚拟样机仿真[J]. 四川兵工学报,2009,30(6):69-71.

[5] 谷鸣宇,秦荣荣,杨达意.机械手动力学的ADAMS与MATLAB联合仿真研究方法[J].机械设计,2005，22(S):227-228,250.

[责任编辑 郑淑芳]

Co-simulation of the motion and control formanipulator clamping mechanism

LiHaibin,ChenKuisheng,LuoJie

(College of Machinery and Automation，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China)

A simple manipulator clamping mechanism system was designed on the basis of the motion theory of cam to be applied in manipulator clamping device and pipeline climbing robot. The simplified 3D model of clamping mechanism was established,and its kinematic and dynamic simulation was carried out in ADAMS.A co-simulation control system of clamping mechanism was built in Simulink byuseofADAMS/Controlinterfacemodule.Bymeansofthree-closed-loopPIDcontrol method,the mechanicalsystemandcontrolsystemofclampingmechanismwereinvestigatedbyco-simulation analysis.The simulation results show that the designed clamping mechanism has good dynamic response and precise trajectory tracking.

manipulator; clamping mechanism; virtual prototype; PID control; co-simulation

2014-11-12

李海斌(1987-)，男，武汉科技大学硕士生.E-mail：yuan870624@qq.com

陈奎生(1958-)，男，武汉科技大学教授，博士生导师.E-mail：kschen@wust.edu.cn

TP391.9

A

1674-3644(2015)01-0046-04