基于ADAMS和Matlab的硅片搬运机器人联合仿真研究

基于ＡＤＡＭＳ和ＭａｔＩａｂ的硅片搬运机器人联合仿真研究丽丽丽赫两丽藤丽蕊瓣瓣蕊蕊蕊赫蕊丽赢丽蕊漏蕊蕊蕊丽丽丽基于ＡＤＡＭＳ和Ｍ砒ｌａｂ的硅片搬运机器人联合仿真研究Ｒｅｓｅａｒｃｈ伽ＣｏｏｒｄｉｎａｔｅｄＳｉｌＩｌｕｌａｔｉｏｎ０ｆＷｍｒ－ｈａｎｄｌｉｎｇ

ＲｏｂｏｔＢ嬲ｅｄｏｎＡＤＡＭＳａｎｄＭａｔｌａｂ

吴静刘品宽（上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０）

摘要：为提高硅片搬运机器人的设计效率，充分利用虚拟样机技术，搭建硅片搬运机器人的联合仿真系统。首先借助三维建模软件Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立机器人三维实体模型；然后将实体模型导入ＡＤＡＭＳ多体动力学软件，建立机器人的动力学模型，进行运动学和动力学仿真；之后在Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建机器人控制系统，并通过ＡＤＡＭＳ／Ｃｏｎｔｒｏｌ模块将ＡＤＡＭＳ动力学模型与ｓｉｍｕｌｉｎｋ控制系统模型组合在一起，建立联合仿真系统。仿真结果表明，硅片搬运机器人具有较好的动态响应特性和良好的轨迹跟踪能力。关键词：硅片搬运机器人虚拟样机联合仿真机械系统动力学自动分析ＭａｔｌａｂＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—０８０ｘ．２０１３．０７。００２

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍｐｍｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｈｃｉｅｎｃｙｏｆｗａｆｅｒ－ｈａｎｄｌｉｎｇｒｏｂｏｔ，ａｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｂｕｉｌｔｂｙｍａｋｉｎｇｆｕｌｌｕｓｅｏｆｖｉｒＩｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｉｒｓｔ，ａｔｈｒｅｅ・ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｗａｓｂｕｉｌｔｉｎＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ

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０引言

硅片搬运机器人作为集束型设备的关键组成，其性能关系到半导体生产过程的效率与质量。为了满足生产效率提升的诉求，现在的硅片搬运机器人的功能越来越强大，机器人的构型越来越多，结构也日趋复杂；因此有必要借助虚拟样机技术，在制造物理样机之前尽可能建立较为完整和真实的虚拟样机，对产品的各项性能指标进行测试与改进，降低物理样机风险，并且缩短研发周期¨￣３］。在机械系统的设计阶段，有许多强大的三维软件，如ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ、ＡＤＡＭｓ、Ｍａｔｌａｂ。利用这３个软件，可以建立一个强大的联合仿真系统，集成各类软件的优势，既能够对机器人的运动学和动力学进行仿真分析，也可以搭建机器人的控制系统，对机器人的轨迹跟踪能力进行测试，从而为机器人的改进提供依据，降低物理样机的成本与风险。

作者简介：昊静１９８７年生，硕士研究生。研究方向为硅片搬运机器人的动力学建模与仿真。刘品宽１９６９年生，教授，上海交通大学机器人研究所博士生导师。主要从事各种机器人的研究。

１６机电一体化Ｉ２０１３．７万方数据ｉｉｉｉｉｉｉ蕊ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ丽丽丽蕊函萄ｉｉｉｉｉｉｉｉ赢ｉ赢萄ｉｉｉｉ菌菌蔫蕊Ｒｅｓｅａｒｃｈ．ＤｅｖｅＩｏｐｍｅｎｔ疆函ｌ髓Ｉ重窭ｌ虚拟样机机械系统１．１三维实体建模ＡＤＡＭＳ具备简单的几何建模能力，但是很难建立复杂的三维实体模型。在这里采用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维设计软件，它具备强大的三维建模能力，并且可以将建立完毕的几何模型导入ＡＤＡＭＳ软件。设计的硅片搬运机器人采用ＳｃＡＲＡ构型，并且有２个末端执行器，可以实现Ｒ、Ｔ、ｚ、ｗ。和ｗ：５个关节的运动，如图１所示。ｚ轴以伺服电机加精密滚珠丝杠驱动，以直线导轨作垂直导向。Ｔ轴采用洁净电机直驱。Ｒ轴、ｗ。轴和ｗ：轴负载相差较小，采用同样的电机，三轴驱动单元共同集成在Ｔ轴上，通过高精度、低弹性同步带带动三轴旋转。大臂图ｌ机器人三维模型１．２动力学建模机器人的运动学和动力学模型需要在ＡＤＡＭＳ软件中建立。首先在ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中将几何模型保存为Ｐａｒａｓｏｌｉｄ格式，然后将其导入ＡＤＡＭＳ。在ＡＤＡＭＳ中，为了创建一个构件，除了导入几何体，还需要定义其材料、质量、转动惯量等属性，从而具备与物理样机相同或相近的物理特性，以便于更好地模拟物理样机。为了建立完整的动力学模型，还需要为导入ＡＤＡＭＳ的机器人模型定义运动学和动力学约束，包括运动副和驱动。在有相对回转运动的两个构件之间需要定义旋转副约束，比如关节、驱动轴处。如果没有相对运动，则在两个构件之间定义固定副约束；但是尽量将没有相对运动的零部件融合为一个构件，这样将减少系缪的约束方程，提高ＡＤＡＭｓ的求解速度。在滚珠丝相之间需要添加螺旋副约束，并设置好导程。在导轨刿需要添加移动副约束。另外，由于存在带传动，需要在各个与带传动相关的旋转副之间建立耦合运动目约束，并定义好传动比关系。在定义好各个约束关豸后，可以应用ＡＤＡＭｓ的模型检验功能，确保各个构伺之间具有正确的约束关系，在仿真时实现正确的逗动，如图２所示。

图２ＡＤＡＭＳ模型检验结果１．３运动学与动力学仿真为了进行运动学和动力学仿真，需要为模型添期驱动。硅片搬运机器人具有５个自由度，需要分别硇５个驱动轴处添加旋转驱动（ｍｏｔｉｏｎ）或力矩（ｔｏｒｑｕｅ）ＡＤＡＭＳ提供了各种表达式和函数来定义所需要的乳动函数或力矩函数。在这里，为了实现一段特定的村器人末端轨迹，通过运动学和逆运动学计算分别给）Ｉ『械手的各个驱动轴定义了不同的分段５次多项式运动。在这些函数的驱动下，设置仿真时间２ｓ，仿真彗数ｓｔｅｐ＝２００，进行仿真。可以通过ＡＤＡＭｓ中的后剑理模块得到机器人末端点轨迹，如图３所示。经过运动学和动力学仿真，末端执行器按照实裂规划计算的轨迹运动，从而也验证了模型的正确性。

２０１３．７Ｉ机电一体化１万方数据基于ＡＤＡＭＳ和ＭａｔＩａｂ的硅片搬运机器人联合仿真研究ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｌ＼翻

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ａ末端点路径

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时间ｔ／ｓｂ末端点坐标变化曲线

时间珧ｃ末端点到中心距离变化曲线

图３硅片搬运机器人末端点轨迹

１８机电一体化Ｉ２０１３．７

２虚拟样机控制系统硅片搬运机器人是一个多输入多输出且高度耦合的复杂机电系统，对其实施高精度的控制比较困难，为此，先不考虑机器人的动态控制，只对其进行运动控制。运动控制（ｋｉｎｅｍａｔｉｃｃｏｎｔｍｌ）是指完全不考虑机器人的动力学特性，只是按照机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制，其优点是控制律简单，易于实现。其基本的控制结构框图如图４所示。

图４机器人的运动控制串联机器人操作手的运动是通过机器人各个关节的驱动，通过关节的运动使末端执行器达到期望的位置和姿态。机器人所完成的一个动作是根据工作任务而分解为运动的初始和终止姿态。因而，可以由工作任务给出末端执行器在笛卡尔空间的位姿，将末端执行器在笛卡尔空间的位姿进行运动学位置分析的逆，将运动映射到关节空间，然后再将关节空间的运动映射到驱动空间，从而可以通过驱动空间的各个驱动变量的位置控制实现末端执行器的位姿控制，构成机器人操作手的分解运动控制。当不考虑机器人的动态特性时，可以将多输入多输出的机器人系统简化为单输入单输出的伺服控制系统。驱动轴的位置伺服控制系统采用ＰＩＤ控制，其优点是控制简单，易于实现，原理图如图５所示。ＰＩＤ参数可以利用基于ｚｉｅｇｌｅ卜Ｎｉｃｈｏｌｓ方法进行整定¨ｊ。。

…婴塑虬……………一

圈５机器人驱动轴位置控制系统机器人各个驱动轴驱动力矩为

万方数据ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉ葫ｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉｉＲｅｓｅａｒｃｈ．ＤｅｖｅＩｏｐｍｅｎｔｌ目圈国目—嘲ｒ（‘）＝ＫＰｅ＋ＫＩＪｅ（ｆ）ｄｆ＋ＫＤｄ＝Ｊ０

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式中，ｅ＝吼一口，吼为期望位置；ｐ为传感器返回的位置信号。墨为比例增益；Ｋ。为积分增益；Ｋ。为微分增益；瓦（＝群／墨）为积分时间；ｒ。（＝‰／群）为微分时间。３联合仿真系统３．１联合仿真机械子系统为了进行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Ｍａｄａｂ中，需要通过ＡＤＡＭｓ中的ＡＤＡＭｓ／ｃｏｎ咖ｌ模块，利用该接口模块实现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１５个变量，包括５个控制转矩变量、驱动轴的５个位置变量及５个角速度变量。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，并将其作为该时刻机械臂各驱动轴的转矩指令；机械臂的各个驱动轴变量又可以被实时地反馈到控制系统中，从而构成完整的闭环控制系统，实现关节位置的精确控制。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／Ｃｏｎ仃ｏｌ模块将会生成３个文件，这些文件将用于ＡＤＡＭＳ与Ｍａｎａｂ之间进行数据传递。在Ｍａｄａｂ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６所示。从图中可以看出，机械子系统ＡＤＡＭｓＰｌａｎｔ有５个转矩变量作为输入，５个角位移变量及５个角速度变量作为输出。