基于虚拟样机的机械手联合仿真教学平台研究

杨丽新，杨林丰

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

基于虚拟样机的机械手联合仿真教学平台研究

杨丽新，杨林丰

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）

随着机器人在自动化工业生产中的广泛应用，加大机器人人才培养力度成为工程教育的共识。由于机器人价格昂贵、数量少，导致学生实践操作机会有限。通过虚拟的实验和测试，建立虚拟物理模型和控制模型，提前发现模型设计中的潜在缺陷，并及时找到解决方法，以此提高机器人的设计效率是工程中应用较多的方法。本文将在Solidworks中建立的锻造机械手三维实体模型导入ADAMS中，并在MATLAB/Simulink中建立仿真控制方案，最后实现ADAMS和MATLAB对锻造机械手的联合仿真，构建虚拟样机的机械手联合仿真教学平台研究，并通过仿真实例验证方案的可行性。

锻造机械手；联合仿真；虚拟样机；教学平台

在经济结构转型和制造业用工成本上升的大背景下，机械手需求迎来爆发式增长。以珠三角地区为例，为应对要素成本和人力成本上涨，机械手需求年增长速度达30%。2014年，《广州市推动工业机器人及智能装备产业发展的实施意见》披露，广州80%以上的制造业企业将应用机械手及智能装备。近年来，我国机械手的数量剧增，但由于其操作编程与驱动控制技术跟不上硬件的发展水平，专业人才培养的数量和质量相对滞后已成为机器人应用的瓶颈和门槛之一，导致其在自动化控制操作方面的应用尚未充分利用。因此，亟需大力开展机械手自动化应用的探索实验，通过提高机器人专业人才对机械手共性关键技术的应用能力，充分发挥机械手的自动化应用功能[1-4]。

锻造机械手是一个复杂的机电液系统，其价格昂贵、数量少，导致学生实践操作机会有限。通过虚拟的实验和测试，建立虚拟物理模型和控制模型[5-8]，提前发现模型设计中的潜在缺陷，并及时找到解决的方法，以此提高机器人的设计效率是工程中应用较多的方法。本文将在Solidworks中建立的锻造机械手三维实体模型导入ADAMS中，并在MATLAB/Simulink中建立仿真控制方案，最后实现ADAMS和MATLAB对锻造机械手的联合仿真，构建虚拟样机的机械手联合仿真教学平台研究，并通过仿真实例验证方案的可行性。

1 ADAMS软件简介

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI（Mechanical Dynamics Inc）公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，是虚拟样机领域中非常优秀的软件，目前已广泛应用到汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域，并取得了满意的效果。该软件提供了友好的交互式图形环境，可以方便地利用它的零件库、约束库、函数库等来创建完全参数化的机械系统虚拟模型，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、运动学和动力学仿真分析，输出我们需要的数据曲线用来分析并改进设计。并且该软件针对不同行业的需要提供了相应的专业模块以满足行业设计人员的不同要求，使设计效率明显提高。该软件的主要特点是通过它建立的虚拟模型能很好地反映实际的物理模型，其仿真结果也能很好地与实际物理模型的结果相吻合。但是对于控制系统设计，ADAMS软件提供的控制工具箱只能处理一般的控制环节（比如PID控制），而MATLAB是大型控制系统设计软件，能够处理各种高级控制环节（比如智能控制系统），如果能将两者结合起来使用，充分发挥它们各自优势，将给那些复杂系统的研究提供一种新的途径。

2 夹持过程PID控制

在锻造机械手夹持锻件过程中，一般方法是恒速夹持，这样钳口会对锻件产生碰撞冲击，可能会破坏锻件和夹持机构的相对位置，引起偏载，给稳定夹持带来不利影响，因此需要对夹持过程进行控制。不考虑夹持机构的变形，锻造机械手钳口的夹持位移和速度与液压缸活塞位移和速度一一对应，且对液压缸活塞测量较为方便，因此，可以采取控制液压缸活塞的策略，达到控制钳口的目的。

2.1 PID控制简介

偏差的比例（Proportional）、积分（Integral）和微分（Derivative）的综合控制，简称PID控制。PID控制器本身是一种基于对“过去”、“现在”和“未来”信息估计的简单但却有效的控制算法。由于其具有算法简单、鲁棒性能好、可靠性高等优点，PID控制策略被广泛应用于工业过程控制中，其工作原理如图1所示。

图1 PID控制系统原理框图

在连续控制系统中，PID控制器的输出u（t）与输入e（t）之间成比例、积分、微分的关系。即：

式中：e（t）——比例增益，e（t）=r（t）-y（t）；

Kc——比例增益；

Ti——积分时间常数；

Td——微分时间常数。

在计算机控制系统中，使用比较普遍的也是PID控制策略。此时，数字调节器的输出与输入之间的关系为：

PID控制器主要有两种算法：位置式和增量式，由于位置式采用全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差量进行累加，计算输出控制量u（k）对应的是执行器的实际位置偏差，如果位置传感器出现故障，u（k）可能会出现大幅度变化，引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况是不允许的，因此本文采用增量式控制算法：

增量式PID控制算法：

3 ADAMS与MATLAB软件的联合仿真

ADAMS与MATLAB联合仿真要经过以下几个步骤：

（1）建立虚拟模型。对于简单的模型可以利用ADAMS软件直接建模，对于复杂的模型可以借助一些 CAD软件（如 UG、CATIA、PRO/E等）建模，然后将最终的模型导入到ADAMS环境中，最后给这个模型施加约束和作用力。

（2）定义ADAMS的输入和输出。图2为ADAMS与MATLAB的接口。ADAMS的输入输出是与MATLAB设计的控制系统进行数据传递的接口，ADAMS的输入就相当于系统的控制输入，ADAMS的输出就相当于系统的测量值。

图2 ADAMS与MATLAB的接口

（3）建立控制系统的结构图。将ADAMS建立的虚拟模型与MATLAB建立的控制系统通过图1的方式结合起来，形成一个闭环系统。

（4）仿真分析。对闭环系统进行仿真分析，并针对结果对控制系统参数进行反复修改，直到得到满意的效果。

4 联合仿真在锻造操作手驱动系统的应用

锻造操作手驱动系统是一个复杂的非线性系统，目前对锻造操作手驱动系统控制研究都是建立在它的数学模型基础 上，但是这种数学模型只是一个近似的简易线性化模型，不能反映它的真实情况，很明显其研究结果与实际系统有较大的差别，而且数学模型一旦建立错误将导致失败。而ADAMS软件可有效解决上述问题，利用该软件在计算机上按照实际系统情况构造它的虚拟模型，自动建立其数学模型，这种虚拟模型并不是简单地反映实际系统，它可以很好地代替实际系统模型并对其在使用中的各种工况进行仿真分析，最终为物理样机的验证提供可靠的依据。本文用ADAMS软件构造了锻造操作手的虚拟模型，如图3所示，简化模型如图4所示，其夹钳参数采用250t重载操作机的参数，锻造操作手驱动系统参数数据如表1所示。

4.1 控制系统的建立

表1 250t锻造操作手参数

首先，用ADAMS建立锻造机械手的机械模型，接着定义输入输出变量（即与MATLAB接口的变量），输入采用施加在锻造机械手推杆的力F与支架上的旋转扭矩T，输出采用锻造机械手的倾斜角与锻造机械手的旋转角；然后，通过ADAMS/CONTROL模块输出ADAMS的机械系统模型；最后，在MATLAB里面建立夹钳驱动控制系统结构框架图，如图5所示。

图5 夹钳驱动控制系统结构框架图

图3 250t锻造操作手模型

4.2 联合仿真的结果

图6为锻造操作手钳口角速度变化曲线图，图7为锻造操作手钳口角度变化曲线图，图8为锻造操作手力矩驱动图。由图6、图7、图8的仿真结果可以看出所设计的控制器能达到预期的控制效果，验证了所构建虚拟样机的机械手联合仿真教学平台研究方案的可行性。

图6 锻造操作手钳口角速度变化曲线图

图7 锻造操作手钳口角度变化曲线图

图8 锻造操作手力矩驱动图

5 结论

本文利用ADAMS和MATLAB软件成功地对锻造操作手进行了PID控制仿真。在仿真过程中不需要推导系统的复杂微分方程组，直接用ADAMS建立虚拟模型进行分析，大大方便了建模过程，特别是为那些高度复杂无法或者很难推导出其微分方程组的机械系统提供了有效的分析途径。而且通过ADAMS软件建立的虚拟模型能够很好地接近实际的物理模型。与那些近似线性化的简易数学模型相比，本模型为今后构建虚拟样机的锻造机械手联合仿真教学平台，并通过仿真实例验证方案的可行性提供了更为可靠的依据。

[1]陈小平，罗文坚.以机器人实验为载体的实践创新培养体系研究[J].研究生教育研究，2011，（3）：48-52.

[2]胡洪钧，等.工业机器人实验项目开发与实践[J].实验技术与管理，2015，（9）：201-203+207.

[3]王 军，李 明.面向机器人工程对象的“创新研究型实验”课程建设[J].实验室研究与探索，2013，（6）：279-282.

[4]薛文平，李康吉.《工业机器人》实验教学的改革与实践[J].实验科学与技术，2014，（1）：49-51.

[5]陈 罡，等.七自由度机械臂的ADAMS/MATLAB联合仿真研究.系统仿真学报，2017，（1）：99-106.

[6]史耀强，等.双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真.机械与电子，2008，（1）：45-47.

[7]卢衷正，戈振扬，丁 巍.四足除草机器人的ADAMS与MATLAB联合仿真[J]. 机械科学与技术，2016，（3）：75-380.

[8]姚莉君，李成刚，张 军.ADAMS与MATLAB联合仿真在3自由度并联机构控制中的应用[J].机械设计，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

华南理工大学2016年校级教改资助项目（Y9160740）；2016年广东省高等教育教学改革资助项目

杨丽新（1986-），女，讲师，博士在读，主攻机器人动力学与智能控制研究。E-mail：melxyang@scut.edu.cn