機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與控制的聯(lián)合仿真

李海斌，陳奎生，羅 潔

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081)

機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與控制的聯(lián)合仿真

李海斌，陳奎生，羅 潔

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢，430081)

設(shè)計(jì)一種基于凸輪運(yùn)動(dòng)原理的簡(jiǎn)易機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)，以期將其應(yīng)用于機(jī)械臂的末端夾持裝置和管道攀爬機(jī)器人的手爪。建立夾持機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化三維模型，在ADAMS環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真。通過(guò)ADAMS/Control接口模塊，在Simulink中搭建夾持機(jī)構(gòu)的聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)，利用三閉環(huán)PID控制方法進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真分析。仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和軌跡跟蹤特性。

機(jī)械手；夾持機(jī)構(gòu)；虛擬樣機(jī)；PID控制；聯(lián)合仿真

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，機(jī)械手被廣泛應(yīng)用于物料的抓取、傳送以及大型機(jī)械設(shè)備的組裝操作。隨著管外爬行機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)機(jī)械手的夾持能力和環(huán)境適應(yīng)性也提出了更高的要求。機(jī)械手的核心部分是夾持機(jī)構(gòu)，因此對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和試驗(yàn)是機(jī)械手設(shè)計(jì)中的重要工作?；诙囝I(lǐng)域建模與仿真的虛擬樣機(jī)技術(shù)允許隨時(shí)對(duì)虛擬樣機(jī)的整體特性進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)，而不用花費(fèi)大量的人力物力去反復(fù)制造物理樣機(jī)，極大地縮短了機(jī)械設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)能有效地提高機(jī)械設(shè)備的性能[1-2]。本文利用ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與控制問(wèn)題進(jìn)行研究，以期通過(guò)聯(lián)合仿真分析獲得滿意的設(shè)計(jì)結(jié)果，為其物理樣機(jī)的制作提供理論依據(jù)。

1 機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)

機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖1中可知，此夾持機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、凸輪、彈簧、夾板(包括正反兩塊，對(duì)稱(chēng)安裝)、夾臂(包括左夾臂和右?jiàn)A臂)構(gòu)成。直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與凸輪聯(lián)接，左右?jiàn)A臂通過(guò)彈簧聯(lián)接，正反夾板上端與左右?jiàn)A臂旋轉(zhuǎn)鉸接在一起，正反夾板下端與直流電動(dòng)機(jī)鉚接在一起。整個(gè)夾持機(jī)構(gòu)由專(zhuān)門(mén)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪與彈簧相應(yīng)地運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)左右?jiàn)A臂的旋轉(zhuǎn)。因此，通過(guò)控制直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓緊與放松。

Fig.1 Structural diagram of the manipulator clamping device

2 機(jī)械系統(tǒng)的建模與仿真

利用Pro/E軟件建立夾持機(jī)構(gòu)各零件及裝配體的三維模型，將裝配體模型導(dǎo)入ADAMS/View中進(jìn)行分析。對(duì)導(dǎo)入到ADAMS中的三維模型添加相應(yīng)的約束和驅(qū)動(dòng)，具體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。照此拓?fù)鋱D添加約束，使夾持機(jī)構(gòu)的各個(gè)構(gòu)件之間有確定的約束關(guān)系[3]，保證仿真時(shí)各個(gè)構(gòu)件具有正確的運(yùn)動(dòng)。定義約束和驅(qū)動(dòng)后的模型如圖3所示。

對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)施加一個(gè)常數(shù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證模型的正確性。若驗(yàn)證結(jié)果有誤，則修改直至正確；若驗(yàn)證正確，則解除施加在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處的常數(shù)驅(qū)動(dòng)，在此處施加一個(gè)單向驅(qū)動(dòng)力矩。此力矩由控制系統(tǒng)輸入，即直流電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

Fig.3 Clamping mechanism model with added constraint and drive

3 聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)的導(dǎo)出

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞，在ADAMS中創(chuàng)建聯(lián)合控制仿真時(shí)所需的輸入輸出變量。ADAMS中的輸入、輸出是與基于MATLAB的控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，MATLAB中的輸出變量是進(jìn)入機(jī)械系統(tǒng)的輸入變量，機(jī)械系統(tǒng)的輸出變量是返回到MATLAB的輸入變量，從而形成了一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)，如圖4所示。

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

在Controls/Plant Export模塊中完成控制系統(tǒng)輸入、輸出變量的設(shè)置后，即可導(dǎo)出聯(lián)合控制結(jié)構(gòu)，包括用于聯(lián)合仿真的.m文件和Simulink仿真模塊(即adams_sub模塊)。所定義的輸入變量為T(mén)orque,對(duì)應(yīng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，它的返回值作為凸輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的控制力矩(驅(qū)動(dòng)力矩)；輸出變量有：Spring_force、Tulun_Angle、Tulun_AngularVelocity、Xuanzhuan_Angle,分別對(duì)應(yīng)拉伸彈簧的彈力、凸輪質(zhì)心繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角度、凸輪質(zhì)心繞Y軸旋轉(zhuǎn)的角速度和左右?jiàn)A臂交叉處中心點(diǎn)繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角度。在運(yùn)行一個(gè)仿真步時(shí)，MATLAB與ADAMS通過(guò)adams_sub數(shù)據(jù)交換模塊來(lái)實(shí)時(shí)地進(jìn)行狀態(tài)變量值的交換，進(jìn)而依據(jù)此次讀取的輸入狀態(tài)變量值進(jìn)行各輸出狀態(tài)變量值的求解，依次循環(huán)求解下去，直至仿真結(jié)束[4]。

4 控制系統(tǒng)建模與聯(lián)合仿真

機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)是一個(gè)單輸入、多輸出的強(qiáng)耦合復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，要對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)比較精確的控制，就必須采用雙閉環(huán)或多閉環(huán)的運(yùn)動(dòng)控制方法，使其能夠比較準(zhǔn)確地跟蹤預(yù)定的軌跡路線。機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)基本的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型如圖5所示。

Fig.5 Motion and control system of the clamping mechanism

根據(jù)具體的夾持機(jī)構(gòu)物理參數(shù)，按照上述的基本運(yùn)動(dòng)控制模型，在Simulink里建立此夾持機(jī)構(gòu)的聯(lián)合控制系統(tǒng)模型，如圖6所示[5]。

在搭建的控制模型中，針對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和拉伸彈簧，采用PID控制策略進(jìn)行位置和作用力的聯(lián)合控制，形成三閉環(huán)的PID控制反饋回路：第一路是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度(Xuanzhuan_Angle)控制、第二路是拉伸彈簧的彈力大小(Spring_force)控制、第三路是驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度(Tulun_Angle、Tulun_AngularVelocity)控制。通過(guò)對(duì)三路反饋信號(hào)的控制，在聯(lián)合仿真過(guò)程中動(dòng)態(tài)修改PID控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的軌跡控制要求，最終保證夾持機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)比較平穩(wěn)的夾緊和放松動(dòng)作，保證其較高精度的軌跡跟蹤特性。

對(duì)控制系統(tǒng)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，分別以正弦角速度信號(hào)測(cè)試其軌跡跟蹤特性、以階躍角度信號(hào)測(cè)試其階躍響應(yīng)特性，得到的響應(yīng)曲線如圖7和圖8所示，在階躍信號(hào)作用下施加在驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)處的驅(qū)動(dòng)力矩變化曲線如圖9所示。由圖7可知，在正弦信號(hào)作用下，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)角速度的實(shí)際輸出值與給定值非常接近，只是在時(shí)間上有很小的滯后，表明驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可以比較精確地跟蹤給定的軌跡路線，具備良好的軌跡跟蹤特性。由圖8可知，在階躍信號(hào)作用下，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)所需要的響應(yīng)時(shí)間很短，能在此時(shí)間內(nèi)由初始角度快速旋轉(zhuǎn)并穩(wěn)定到指令給定的目標(biāo)角度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾持機(jī)構(gòu)中夾臂位置的快速、準(zhǔn)確控制；此時(shí)從圖9所示的測(cè)量結(jié)果可以看出驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩響應(yīng)也較快，并能穩(wěn)定在給定的目標(biāo)位置，沒(méi)有出現(xiàn)劇烈的振蕩。

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 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和控制需求，利用虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，基于ADAMS與MATLAB的聯(lián)合仿真功能對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)與控制的仿真研究。通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的可行性，得到了機(jī)械系統(tǒng)的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，為實(shí)物樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制作提供了參考。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真，可以動(dòng)態(tài)地觀察夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，獲得了控制系統(tǒng)的各控制參數(shù)，大大地縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)成本。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和軌跡跟蹤特性。

[1] 衣袖帥,黃志剛,孫明濤.ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2009, 27(5):14-17，21.

[2] 馬如奇,郝雙暉,鄭偉峰，等.基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(4):93-95.

[3] 姚欽,劉永光,劉質(zhì)加.基于ADAMS與Matlab 的數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)聯(lián)合仿真[C]//第五屆全國(guó)流體傳動(dòng)與控制學(xué)術(shù)會(huì)議暨2008年中國(guó)航空學(xué)會(huì)液壓與氣動(dòng)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2008.

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[責(zé)任編輯 鄭淑芳]

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，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：yuan870624@qq.com

陳奎生(1958-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師.E-mail：kschen@wust.edu.cn

TP391.9

A

1674-3644(2015)01-0046-04