当前位置：文档之家 › 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

  • 格式：pdf
  • 大小：443.35 KB
  • 文档页数：3

【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 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。仿真结果表明机械臂系统具 有较好的动态响应特性及较好的轨迹跟踪能力。
来进行驱动，每个电机都由相应的一套伺服驱动控制系统来进行 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
控制，而各个伺服控制系统的指令统一由一个上位机来进行给 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
定。这样，整个机械臂控制系统就相当于一个由多个伺服系统构 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
2.1 机械臂三维模型的建立
方法是将 Solidworks 中的文件保存为 Parasolid 格式，然后导入到
Adams 具有很强的运动学及动力学仿真能力，但很难精确建 Adams 中。在 Adams 中，需要对导入的每个零部件进行编辑，定
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， 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
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）
械臂的性能，而且还会耗费大量的物料和时间，因此有必要借助
虚拟技术，在制造物理样机之前，先建立一个虚拟的样机系统[1-2]。 通过对虚拟样机系统的测试，可以发现系统的不足，并予以改进， 这样既可以有效地缩短机械臂的开发周期，又可以有效地提高机 械臂的性能。Adams 能够方便的实现多刚体系统的运动学及动力 学仿真，Matlab 具有强大的计算功能，并可以方便的构建控制系 统[3～5]。利用这两个软件建立机械臂的联合仿真系统，既可以对机
证仿真时各个零部件能够有正确的运动。
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
Z YX
腕关节
小臂 肘关节 大臂 肩关节 腰关节
械臂的运动学及动力学进行仿真分析，又可以搭建机械臂的控制 系统，通过交互式联合仿真，可以有效地提高机械臂的性能，为实 际物理样机的研制提供技术依据。
2 虚拟样机机械系统
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
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。
预定轨迹
控制器
实际轨迹 机械臂
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。
选择了 Solidworks 三维设计软件。设计的机械臂具有四个关节， 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
能实现四个自由度的回转运动。考虑到刚性要求，底部腰关节采 系统。要对机械臂进行运动学及动力学仿真，还需要为导入
＊来稿日期：2009-06-22 ＊基金项目：863 计划专题课题（2006AA04Z231）
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。
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 making full use of the virtual simulation technology. First，a three-dimensional model of the robot arm with 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
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
.dabi.CM_Angular_Velocity.Z .dabi.CM_Angular_Velocity.X .dabi.CM_Angular_Velocity.Y
第4期
机械设计与制造
2010 年 4 月
Machinery Design ＆ Manufacture
93
文章编号：1001-3997（2010）04-0093-03
基于 MATLAB 与 ADAMS 的机械臂联合仿真研究 *
马如奇 郝双晖 郑伟峰 郝明晖 宋宝玉 （哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）
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，
抑制系统超调，需要引入微分环节，从而构成了 PD 位置控制，其
结构，如图 6 所示。
θref Kpi
Ti 驱动器
θ觶
Kvi
传感器
θ
图 6 机械臂关节位置控制结构
5.0
10.0
15.0
Time（s）
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
图 5 机械臂控制结构
3.2 关节位置伺服控制
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
使末端执行机构达到预期要求的目标位置。这就要求对各个关节
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
伺服电机 1
编码器 1
伺服控制器 2
伺服电机 2
编码器 2
上
位
机
伺服控制器 3
伺服电机 3
编码器 3
Z YX
伺服控制器 4
伺服电机 4
编码器 4
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
94
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 闭环位置控制。系统总体控制结构，如图 5 所示。
伺服控制器 1
成的同步控制系统。各个控制单元之间是并行连接，上位机通过 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，
高速同步串口把速度或者位置指令传送给各个伺服驱动系统。伺 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。
No.4
Apr.2010
机械设计与制造
95
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 件将用于 Adams 与 Matlab 之间进行数据传递。在 Matlab 中调用 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。

合集下载

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

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

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。

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

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

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。