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  本文關(guān)鍵詞：基于MATLAB與ADAMS的機械臂聯(lián)合仿真研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第4期；2010年4月；文章編號：1001-3997（2010）04-0；機械設(shè)計與制造；MachineryDesign＆Manufact；93；基于MATLAB與ADAMS的機械臂聯(lián)合仿真研究；馬如奇郝雙暉鄭偉峰郝明暉宋寶玉）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)；Researchoncoordinatedsim；MARu-qi，HAOShuang-hui，ZH；???????

第4期

2010年4月

文章編號：1001-3997（2010）04-0093-03

機械設(shè)計與制造

MachineryDesign＆Manufacture

93

基于MATLAB與ADAMS的機械臂聯(lián)合仿真研究*

馬如奇郝雙暉鄭偉峰郝明暉宋寶玉）（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，哈爾濱150001

ResearchoncoordinatedsimulationofrobotarmbasedonMATLABandADAMS

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

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【摘

要】為提高機械臂設(shè)計效率，充分利用了虛擬仿真，搭建了機械臂的虛擬仿真系統(tǒng)。首先在

（SchoolofMechatronicsEng，HarbinInstituteofTechnology，Harbin150001，China）

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Solidworks中建立了四關(guān)節(jié)機械臂的實體模型；然后將其導(dǎo)入動力學(xué)仿真軟件Adams中，進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真；最后通過Adams與Matlab的接口模塊Adams/control，利用Matlab/Simulink模塊搭建了機仿真結(jié)果表明機械臂系統(tǒng)具械臂的聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，實現(xiàn)基于Matlab與Adams的機械臂的聯(lián)合仿真。有較好的動態(tài)響應(yīng)特性及較好的軌跡跟蹤能力。

關(guān)鍵詞：機械臂；聯(lián)合仿真；虛擬樣機；運動仿真；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；中圖分類號：TH16，TP242文獻標(biāo)識碼：A

1引言

機械臂是一個復(fù)雜的機電系統(tǒng)，如果按照傳統(tǒng)的設(shè)計模式，通過加工樣機后對其進行反復(fù)測試改進，不僅很難有效地提高機械臂的性能，而且還會耗費大量的物料和時間，因此有必要借助虛擬技術(shù)，在制造物理樣機之前，先建立一個虛擬的樣機系統(tǒng)[1-2]。通過對虛擬樣機系統(tǒng)的測試，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足，并予以改進，這樣既可以有效地縮短機械臂的開發(fā)周期，又可以有效地提高機械臂的性能。Adams能夠方便的實現(xiàn)多剛體系統(tǒng)的運動學(xué)及動力學(xué)仿真，Matlab具有強大的計算功能，并可以方便的構(gòu)建控制系統(tǒng)[3～5]。利用這兩個軟件建立機械臂的聯(lián)合仿真系統(tǒng)，既可以對機械臂的運動學(xué)及動力學(xué)進行仿真分析，又可以搭建機械臂的控制系統(tǒng)，通過交互式聯(lián)合仿真，可以有效地提高機械臂的性能，為實際物理樣機的研制提供技術(shù)依據(jù)。

2虛擬樣機機械系統(tǒng)

2.1機械臂三維模型的建立

Adams具有很強的運動學(xué)及動力學(xué)仿真能力，但很難精確建立復(fù)雜的三維實體模型。為了能夠建立準(zhǔn)確的機械臂三維模型，選擇了Solidworks三維設(shè)計軟件。設(shè)計的機械臂具有四個關(guān)節(jié)，底部腰關(guān)節(jié)采能實現(xiàn)四個自由度的回轉(zhuǎn)運動。考慮到剛性要求，

＊來稿日期：2009-06-22

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腕關(guān)節(jié)

小臂肘關(guān)節(jié)

大臂肩關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)

YZX

用永磁交流伺服電機加精密行星輪減速機的傳動系統(tǒng)，而肩、肘兩個關(guān)節(jié)則采用永磁交流伺服電機加諧波減速器的傳動方式，末端機械臂三維模型，如圖1所示。的腕關(guān)節(jié)則直接由伺服電機驅(qū)動。

圖1機械臂三維模型

2.2機械臂運動仿真系統(tǒng)的建立

機械臂的運動學(xué)及動力學(xué)仿真需要在Adams中進行，因此需要將Solidworks中建立的簡化三維模型導(dǎo)入到Adams中。其方法是將Solidworks中的文件保存為Parasolid格式，然后導(dǎo)入到Adams中。在Adams中，需要對導(dǎo)入的每個零部件進行編輯，定義其材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等相關(guān)屬性，從而使得虛擬樣機與實際物理樣機具有相同或者是相近的物理特性，以便更好的模擬實際系統(tǒng)。要對機械臂進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真，還需要為導(dǎo)入

＊基金項目：863計劃專題課題（2006AA04Z231）

94馬如奇等：基于MATLAB與ADAMS的機械臂聯(lián)合仿真研究第4期

Adams中模型定義約束及驅(qū)動，如圖2所示。服控制器接收到上位機的指令后，控制交流永磁同步電機驅(qū)動相應(yīng)的機械臂關(guān)節(jié)；同時，通過磁電編碼器進行位置反饋，以實現(xiàn)全如圖5所示。閉環(huán)位置控制。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)，

伺服控制器1伺服控制器2伺服控制器3伺服控制器4

伺服電機1伺服電機2伺服電機3伺服電機4

編碼器1編碼器2編碼器3編碼器4

上

位機

YZX

圖2定義約束后的機械臂模型

在有相對回轉(zhuǎn)運動的四個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處需要定義旋轉(zhuǎn)約束，其他沒有相對運動的零件均定義為固定約束。在定義好各個約束后，機械臂的各個零件之間便具有確定的約束關(guān)系，這樣可以保證仿真時各個零部件能夠有正確的運動。

圖5機械臂控制結(jié)構(gòu)

3.2關(guān)節(jié)位置伺服控制

設(shè)計的是串聯(lián)機械臂，因此可通過控制各個關(guān)節(jié)的位置角度這就要求對各個關(guān)節(jié)使末端執(zhí)行機構(gòu)達到預(yù)期要求的目標(biāo)位置。的位置角度進行精確控制。

當(dāng)不考慮機械臂的動態(tài)特性時，可以將多輸入多輸出的機械臂系統(tǒng)化簡為單輸入單輸出的伺服控制系統(tǒng)。對于交流伺服系統(tǒng)，不考慮電感時的拖動系統(tǒng)是一個穩(wěn)定的二階系統(tǒng)。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)，可以考慮加入比例環(huán)節(jié)，同時為了增大系統(tǒng)的阻尼，其抑制系統(tǒng)超調(diào)，需要引入微分環(huán)節(jié)，從而構(gòu)成了PD位置控制，結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

θref

Kpi

TiKvi

觶θθ

驅(qū)動器傳感器

2.3運動學(xué)及動力學(xué)仿真

定義好約束后，通過在機械臂的四個關(guān)節(jié)處定義旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（motion）或者力矩（torque）便可以進行運動學(xué)及動力學(xué)仿真。在Adams運動仿真系統(tǒng)中，可以通過驅(qū)動函數(shù)和力矩函數(shù)來定義所需要的各種驅(qū)動方式。為了驗證機械臂系統(tǒng)運動的有效性及可靠性，以肩關(guān)節(jié)為例，定義機械臂肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動函數(shù)為：Function（time）=-40.0d*SIN（time）。在此驅(qū)動函數(shù)的驅(qū)動下，設(shè)置仿真時間仿真步數(shù)step=500進行仿真。通過Adams中的后處理模為t=15s，

塊便可以得到大臂圍繞基坐標(biāo)三個坐標(biāo)軸的角速度，如圖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

圖6機械臂關(guān)節(jié)位置控制結(jié)構(gòu)

如果不計各關(guān)節(jié)驅(qū)動器動態(tài)特性，則機械臂的各個關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩為：

.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—傳感器采集的關(guān)節(jié)位置及速度反饋信號；式中：θ和θ

Kpi與Kvi—比例系數(shù)及速度反饋比例系數(shù)。

采用該PD位置控制系統(tǒng)，對機械臂的關(guān)節(jié)進行位置控制。為了減少外部干擾對系統(tǒng)的影響，在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，盡

量采用較大的增益值。

圖3機械臂運動學(xué)及動力學(xué)仿真

經(jīng)過仿真分析可以得出，機械臂模型能夠按給定的驅(qū)動函數(shù)進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，可以作為下一步聯(lián)合仿真系統(tǒng)的機械子系統(tǒng)。

3虛擬樣機控制系統(tǒng)

3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機械臂是一個多輸入多輸出、強耦合的復(fù)雜機電系統(tǒng)，要對其實現(xiàn)精確的控制比較困難。為此，先不考慮機械臂的動態(tài)控制，只對其進行運動控制，使其能夠準(zhǔn)確的跟蹤給定的軌跡曲線。其基本的控制結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

預(yù)定軌跡

控制器

機械臂

實際軌跡

4聯(lián)合仿真系統(tǒng)

4.1聯(lián)合仿真機械子系統(tǒng)的建立

為了進行Adams與Matlab的聯(lián)合仿真，需要將Adams中已經(jīng)建立好的機械臂機械系統(tǒng)導(dǎo)入到Matlab中，作為Matlab/Simulink中的一個子系統(tǒng)，以便在Matlab中利用Simulink仿真模塊搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng)，從而實現(xiàn)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。

要將Adams中的機械系統(tǒng)導(dǎo)入到Matlab中，需要通過Adams中的Adams/control模塊，利用該接口模塊可以實現(xiàn)Adams與Matlab之間的數(shù)據(jù)傳遞。為了實現(xiàn)機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的參數(shù)傳遞，需在Adams中建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)所需要的12個變量，包括4個控制轉(zhuǎn)矩變量、4個關(guān)節(jié)位置變量及4個關(guān)節(jié)角速度變量。Adams可以利用其專有的函數(shù)實時地調(diào)用控制系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩變量值，并將其作為該時刻的轉(zhuǎn)矩指令驅(qū)動機械臂的關(guān)節(jié)運動；機械臂的各個關(guān)節(jié)變量又可以被實時地反饋到控制系統(tǒng)中，從而構(gòu)成了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)節(jié)位置的精確控制。

圖4機械臂的運動控制

設(shè)計的機械臂有四個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)都由一個永磁同步電機來進行驅(qū)動，每個電機都由相應(yīng)的一套伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)來進行控制，而各個伺服控制系統(tǒng)的指令統(tǒng)一由一個上位機來進行給定。這樣，整個機械臂控制系統(tǒng)就相當(dāng)于一個由多個伺服系統(tǒng)構(gòu)成的同步控制系統(tǒng)。各個控制單元之間是并行連接，上位機通過高速同步串口把速度或者位置指令傳送給各個伺服驅(qū)動系統(tǒng)。伺

No.4Apr.2010

機械設(shè)計與制造

圖10所示。特性及跟蹤特性，如圖9、

3.53Angle（d）2.521.510.500

1

2

3

4

567

Time（s）

階躍信號

響應(yīng)信號

95

在Adams/control模塊中，將轉(zhuǎn)矩變量定義為輸入變量，用于存放Matlab中控制系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩指令；將位置變量與角速度變量定義為輸出變量，用于控制系統(tǒng)中的位置及速度反饋輸入。變量定義完成后，Adams/control模塊將會生成三個文件，這些文在Matlab中調(diào)用件將用于Adams與Matlab之間進行數(shù)據(jù)傳遞。

Adams/control模塊，顯示已經(jīng)定義的聯(lián)合仿真系統(tǒng)所需要的12個變量，并對這些變量進行確認。然后在Matlab中輸入命令：adams_sys，Matlab將會產(chǎn)生機械臂機械子系統(tǒng)模塊，如圖7所示。

>MSCSoftware>

S-Function

j_velocity

>

>

>

x=Ax+Bu

y=Cx+DuState-Space

>

>

adams_sub

z_velocity

>

8910

圖9聯(lián)合仿真系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性

43Angle（d）

210-1-2-30

1

2

3

4

567

）Time（s

8

正弦信號

跟蹤信號

（a）聯(lián)合仿真系統(tǒng)中的機械子系統(tǒng)

ADAMS_uout

1control_torque_j

UToWorkspace

1j_position

2j_velocity

3

2

control_torque_w

Mux

3control_torque_y

MSCSoftwareADAMSPlantADAMS_youtYToWorkspace

4control_torque_z

Mux

Clock

ADAMS_toutYToWorkspace

Demux

w_position

45

678z_velocity

910

圖10聯(lián)合仿真系統(tǒng)跟蹤特性

通過聯(lián)合仿真分析可以看出，在階躍信號作用下，肩關(guān)節(jié)能夠在較短的響應(yīng)時間內(nèi)，由初始位置上升并穩(wěn)定到指令給定的目精確控制。這一點通過聯(lián)合仿真在標(biāo)位置，從而實現(xiàn)位置的快速、Adams的仿真動畫中也可以看出，肩關(guān)節(jié)驅(qū)動大臂由初始位置迅速旋轉(zhuǎn)到指令給定位置，并在該位置保持不變。同時，從仿真曲線也可以看出，當(dāng)給定指令為正弦信號時，肩關(guān)節(jié)可以精確的跟蹤給定的正弦指令，只有很小的時間延遲。由此可以說明肩關(guān)節(jié)可以很好的跟蹤給定的軌跡曲線，具有較好的軌跡跟蹤特性。

其他各個關(guān)節(jié)采用同樣的控制方法，實現(xiàn)相應(yīng)關(guān)節(jié)位置的精確控制。根據(jù)機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)位置與各關(guān)節(jié)位置角度之間的變換關(guān)系，便可以實現(xiàn)對機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)的位置進行精確控制，使其具有快速準(zhǔn)確定位的能力，同時還具有較好的軌跡跟蹤特性。

）機械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（b

圖7聯(lián)合仿真系統(tǒng)—機械子系統(tǒng)

從圖中可以看出，機械子系統(tǒng)ADAMSPlant有4個轉(zhuǎn)矩變量4個位置變量及4個角速度變量作為輸出。作為輸入，

4.2聯(lián)合仿真位置控制系統(tǒng)

機械臂系統(tǒng)是一個多變量強耦合的機電系統(tǒng)，在進行聯(lián)合仿真時將其轉(zhuǎn)化為線性多變量解耦系統(tǒng)。針對各個關(guān)節(jié)，采用PD控制策略進行位置控制，通過對各個關(guān)節(jié)位置的控制，實現(xiàn)對機械臂末端執(zhí)行機構(gòu)的位置控制，保證機械臂能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的位置跟蹤。聯(lián)合仿真系統(tǒng)，，如圖8所示。

---Step2

Gain2

-Step3

Gain3

adams_sub

-Gain6-Gain5

-Gain4

-6結(jié)論

利用虛擬設(shè)計方法，在避免推導(dǎo)繁瑣的動力學(xué)方程的情況下，實現(xiàn)了機械臂的本體及控制系統(tǒng)的設(shè)計，大大的提高了設(shè)計效率，在降低機械臂開發(fā)成本的同時，節(jié)省了大量的時間。

通過應(yīng)用Solidworks、Matlab、Adams三個軟件，建立了四自由度機械臂的機械模型，在對其進行運動學(xué)和動力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上，建立了聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)。通過仿真，驗證了機械臂系統(tǒng)的可行性，仿真過程中得到的大量設(shè)計參數(shù)，有助于物理樣機的設(shè)計與為機械臂的開發(fā)提供了一種新的研制。所采用的設(shè)計分析方法，

途徑，即可以充分的利用虛擬設(shè)計技術(shù)，在建立物理樣機之前，通過仿真分析來對樣機系統(tǒng)進行改進，以便得到較優(yōu)的設(shè)計方案。

參考文獻

1史耀強，歷明勇，頓向明，劉琦.雙足機器人基于ADAMS與MATLAB的聯(lián)

合仿真［J］.機械與電子，2007（1）：45～472杜志江，張博，孫立寧，董為.基于虛擬樣機的雙足機器人運動仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19（19）：4454～44563龔建球，劉守斌.基于ADAMS與MATLAB的自平衡機器人仿真［J］.機電工程，2008，25（2）：8～10

4張敏，石秀華，吳一紅.基于ADAMS的三自由度水下機械手運動學(xué)仿真［J］.機械設(shè)計與制造，2005（7）：85～86

圖8聯(lián)合仿真位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5聯(lián)合仿真系統(tǒng)實驗

為了對機械臂聯(lián)合仿真系統(tǒng)的性能進行驗證，以肩關(guān)節(jié)為例，分別以階躍信號及正弦信號測試了聯(lián)合仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)

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