2.1.1           運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

下面是建立模型并對(duì)模型進(jìn)行設(shè)置分析的詳細(xì)過(guò)程。

（1）     啟動(dòng)ADAMS/View，在歡迎對(duì)話框中選擇新建模型，模型取名為Robot_arm，并將單位設(shè)置為MMKS，然后單擊OK。

（2）     打開坐標(biāo)系窗口。按下F4鍵，或者單擊菜單【View】→【CoordinateWindow】后，打開坐標(biāo)系窗口。當(dāng)鼠標(biāo)在圖形區(qū)移動(dòng)時(shí)，在坐標(biāo)窗口中顯示了當(dāng)前鼠標(biāo)所在位置的坐標(biāo)值。

（3）     創(chuàng)建機(jī)械臂關(guān)節(jié)1（連桿）。單擊連桿按鈕，勾選連桿的長(zhǎng)、寬、深選項(xiàng)，分別將其設(shè)置為300mm、40mm、10mm，如圖2.1所示。在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)左鍵，然后將連桿拖至水平位置時(shí)，在單擊鼠標(biāo)左鍵。

（4）     在連桿的右端打孔。在幾何建模工具欄單擊打孔按鈕，將半徑Radius設(shè)置為10mm，深度設(shè)置為10mm，如圖2.2所示。然后在圖形區(qū)模型附近單擊鼠標(biāo)左鍵，在與XY平面垂直的表面上單擊鼠標(biāo)左鍵。然后修改孔的位置，在孔附近單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【HOLE_1】→【Modify】，在彈出的對(duì)話框中，將Center的坐標(biāo)值設(shè)置成（300，0.0，5.0），如圖2.3所示。

（5）         用（3）的方法在關(guān)節(jié)1右端孔中心處創(chuàng)建關(guān)節(jié)2，如圖2.4所示。然后再將關(guān)節(jié)2向內(nèi)側(cè)平移10mm。

 

2.1 創(chuàng)建連桿設(shè)置

（6）添加約束。在關(guān)節(jié)1的左端與大地之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，在關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2結(jié)合處添加轉(zhuǎn)動(dòng)副。單擊工具欄中的旋轉(zhuǎn)副按鈕，并將創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副的選項(xiàng)設(shè)置為2Bod-1Loc和NormalGrid，然后在圖形區(qū)單擊關(guān)節(jié)1和大地，之后需要選擇一個(gè)作用點(diǎn)，將鼠標(biāo)移動(dòng)到關(guān)節(jié)1的Marker1處出現(xiàn)center信息時(shí)，按下鼠標(biāo)左鍵后就可以創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，旋轉(zhuǎn)副的軸垂直于工作柵格。然后用同樣的方法創(chuàng)建關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2之間的旋轉(zhuǎn)副。

 

（7）添加驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)副1（Joint1）和運(yùn)動(dòng)副2（Joint2）上分別添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。單擊主工具欄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)按鈕，然后在選擇上面創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)副1，然后在圖形區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，在快捷菜單中中選擇Modify，在編輯對(duì)話框中將驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為40d*sin(time)，如圖2.6所示。用同樣的方法在旋轉(zhuǎn)副2上創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，并將驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置為15d*time*(-1)。

 

（8）運(yùn)行仿真計(jì)算。單擊主工具欄的仿真計(jì)算按鈕，將仿真類型設(shè)置為Kinematic，仿真時(shí)間EndTime設(shè)置為25，仿真步數(shù)Steps設(shè)置為500，然后單擊運(yùn)行按鈕進(jìn)行仿真計(jì)算。

（9）繪制運(yùn)動(dòng)軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關(guān)節(jié)2右端點(diǎn)Marker4，再選擇關(guān)節(jié)1與大地的鉸接點(diǎn)，鼠標(biāo)移動(dòng)到Joint1處，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出對(duì)話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2.7所示。

（10）結(jié)果后處理。按下鍵盤上的F8鍵，界面將從View模塊直接進(jìn)入到PostProcess模塊，后處理模塊界面如圖2.8所示。

 

在后處理模塊，通過(guò)菜單【View】→【LoadAnimation】可以載入動(dòng)畫。在仿真動(dòng)畫中可以播放兩種動(dòng)畫，一種是在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算動(dòng)畫；另一種是在頻率域內(nèi)的，播放通過(guò)現(xiàn)行化或者在震動(dòng)模塊中的計(jì)算模型的振型動(dòng)畫。單擊播放按鈕后開始播放動(dòng)畫，如果在播放同時(shí)按下記錄按鈕，在播放動(dòng)畫的同時(shí)也將動(dòng)畫保存到動(dòng)畫文件中，動(dòng)畫文件位于ADAMS的工作目錄下。

在后處理模塊中，通過(guò)菜單【View】→【LoadPlot】，通過(guò)選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。如果2.9、2.10所示，分別繪制出機(jī)械臂末端點(diǎn)的速度曲線和加速度曲線。

2.1.2           動(dòng)力學(xué)分析

（1）     創(chuàng)建機(jī)械臂模型。按照2.1.1節(jié)的（1）~（6）步創(chuàng)建同樣的機(jī)械臂，并添加運(yùn)動(dòng)副約束。

（2）     添加驅(qū)動(dòng)。與運(yùn)動(dòng)分析不同，動(dòng)力學(xué)分析添加的驅(qū)動(dòng)為單分量力矩。單擊工具欄上的單分量力矩選項(xiàng) ，將選項(xiàng)設(shè)置為SpaceFixed、Normal toGrid和Constant，然后勾選Torque項(xiàng)并輸入4000，然后在圖形區(qū)單擊關(guān)節(jié)1，再在其上單擊任何一點(diǎn)。用同樣的方法添加關(guān)節(jié)2的驅(qū)動(dòng)，并將其值設(shè)置為-100，如圖2.11所示。

 

2.11 添加單分量力矩

（3）運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算仿真。單擊菜單【Simulate】→【IteractiveControls】，打開交互式仿真控制對(duì)話框，在對(duì)話框中將仿真時(shí)間EndTime設(shè)置為2，仿真步數(shù)Steps設(shè)置為500，仿真類型Type設(shè)置為Dynamic，單擊仿真計(jì)算按鈕，觀看仿真動(dòng)畫，模型將在重力和驅(qū)動(dòng)力矩作用下運(yùn)動(dòng)。

（4）繪制運(yùn)動(dòng)軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關(guān)節(jié)2右端點(diǎn)Marker4，再選擇關(guān)節(jié)1與大地的鉸接點(diǎn)，鼠標(biāo)移動(dòng)到Joint1處，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出對(duì)話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2.12所示。

2.12 機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡

（5）結(jié)果后處理。在后處理模塊，通過(guò)菜單【View】→【LoadAnimation】可以載入動(dòng)畫。單擊播放按鈕后開始播放動(dòng)畫，在播放同時(shí)按下記錄按鈕 ，將動(dòng)畫保存到動(dòng)畫文件中。

在后處理模塊中，通過(guò)菜單【View】→【LoadPlot】，通過(guò)選擇相應(yīng)的選項(xiàng)，繪制出相應(yīng)的結(jié)果曲線。如果2.13、2.14所示，分別繪制出機(jī)械臂末端點(diǎn)的速度曲線和加速度曲線。

2.13 機(jī)械臂末端速度曲線

2.14 機(jī)械臂末端加速度曲線

 

2.1.3           軌跡規(guī)劃

本例將建立在ADAMS/View中用ControsToolkits建立控制系統(tǒng)，通過(guò)PID環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，控制對(duì)象是作用在每個(gè)關(guān)節(jié)單分量力矩，使機(jī)械臂的末端運(yùn)動(dòng)軌跡為圓。

因?yàn)殛P(guān)節(jié)1的一端與大地（Ground）原點(diǎn)鉸接，因此將圓的方程設(shè)為（x-550）2+y2=502，用參數(shù)形式表示就是x=550+50*cos（t），y=50*sin（t），要使關(guān)節(jié)2的末端運(yùn)動(dòng)軌跡按指定的軌跡運(yùn)動(dòng)，這時(shí)需要通過(guò)軌跡方程計(jì)算出兩個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量，然后將這兩個(gè)關(guān)節(jié)變量作為控制系統(tǒng)模型的關(guān)節(jié)輸入。用MATLAB編程，計(jì)算兩關(guān)節(jié)變量，用到的函數(shù)是求解非線性方程組的函數(shù)fsolve，設(shè)1 ， 2分別為關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2的角位移， 1， 2為兩關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度，非線性方程組為 ，MATLAB程序計(jì)算代碼如下：

global x1y1            %命令文件

t=0: pi/200:2*pi；

x=550+50*cos（t）；

y=50*sin（t）；

temp=[0，0]'；

for n=1:401

   x1=x（n）；

   y1=y（n）；

Q=fsolve（'myfunfun'，temp，optimset（'Display'，'off'））；

temp=Q；

q1（n）=Q（1）；

q2（n）=Q（2）；

end

functionq=myfunfun（p）         %調(diào)用的函數(shù)文件

global x1 y1

qq1=p（1）；

qq2=p（2）；

q（1）=300*cos（qq1）+300*cos（qq1+qq2）-x1；

q（2）=300*sin（qq1）+300*sin（qq1+qq2）-y1；

計(jì)算完成后，矩陣q1里面保存的是關(guān)節(jié)1的角位移，矩陣q2里面保存的是關(guān)節(jié)2的角位移，然后再將這兩個(gè)關(guān)節(jié)變量以SPLINE的形式輸入到ADAMS中，作為模型的關(guān)節(jié)輸入。

建立控制系統(tǒng)具體步驟如下：

（1）     建立機(jī)械臂的模型，在兩個(gè)關(guān)節(jié)處分別添加單分量力矩，然后將數(shù)值設(shè)為0。

（2）     將MATLAB計(jì)算出的數(shù)據(jù)以Spline形式導(dǎo)入ADAMS。建立文本文檔保存在ADAMS工作目錄下，文檔中的存有兩列數(shù)據(jù)：第一列為時(shí)間，第二列為q1矩陣。單擊菜單【File】→【Import】→【TestData】后，選中Create Splines，然后在File ToRead輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Browse】在彈出的對(duì)話框中選擇相應(yīng)的文本文件，在IndependentColumnIndex中輸入1，表示默認(rèn)第一列為時(shí)間，然后單擊OK按鈕創(chuàng)建了SPLINE。如圖2.15所示。然后用同樣的方法導(dǎo)入關(guān)節(jié)2的數(shù)據(jù)。

 

2.16 導(dǎo)入數(shù)據(jù)文件建立SPLINES

 

（3）     建立控制系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)。單擊菜單【Build】→【Controls Toolkit】→【Standard ControlBlocks】后，彈出創(chuàng)建控制環(huán)節(jié)工具包，在其中單擊輸入環(huán)節(jié)按鈕，將Name輸入框中的名稱修改為.Control_PID.joint1_input，單擊function輸入框后的按鈕，，彈出函數(shù)構(gòu)造器，在其函數(shù)下拉表中選Spline項(xiàng)，然后單擊Assist按鈕，彈出函數(shù)輔助對(duì)話框，在FirstIndependent Variable中輸入1，然后在SplineName中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出快捷菜單中選擇【Spline】→【Guesses】→【Spline1】，單擊OK按鈕，如圖2.16所示，然后單擊OK按鈕。

 

2.16 建立輸入環(huán)節(jié)

 

用同樣的方法再建立輸入環(huán)節(jié)，將名稱改為.Control_PID.joint1.angl，在彈出的函數(shù)構(gòu)造器中選擇Displacement項(xiàng)，然后在其下面的函數(shù)列表中，單擊Angleabout z，單擊Assist按鈕，彈出函數(shù)輔助對(duì)話框，ToMaker輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在菜單中選擇【Marker】→【Pick】項(xiàng)，然后單擊與旋轉(zhuǎn)副相關(guān)聯(lián)的PART_2.MARKER_3，用同樣方法為FromMarker輸入框市區(qū)旋轉(zhuǎn)副相關(guān)聯(lián)的ground.MARKER_4，單擊OK按鈕。

（4）     創(chuàng)建比較環(huán)節(jié)。單擊控制環(huán)節(jié)工具包中的比較環(huán)節(jié)按鈕 ，將Name輸入框中的名字改為.Control_PID.sum1，在Input1輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】→【Guesses】→【Joint1_input】，在Input2輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】→【Guesses】→【Joint1_angl】，其他選項(xiàng)默認(rèn)。用同樣的方法建立關(guān)節(jié)2的比較環(huán)節(jié).Control_PID.sum2。

（5）     創(chuàng)建PID環(huán)節(jié)。單擊控制環(huán)節(jié)工具包中的PID按鈕，在Input輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_sum】→【Guesses】→【sum_1】，在Input2輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】→【Guesses】→【Joint1_angl】，其他選項(xiàng)默認(rèn)，如圖2.17所示。用同樣的方法建立關(guān)節(jié)2的PID控制環(huán)節(jié)。

2.17 創(chuàng)建PID環(huán)節(jié)

 

（6）     將單分量力矩參數(shù)化。在圖形區(qū)雙擊單分量力矩的圖標(biāo)，在彈出的編輯對(duì)話框中，單擊Function輸入框后的函數(shù)構(gòu)造器按鈕，在GettingObjectData下拉菜單中選擇Measures，然后在輸入框中單擊鼠標(biāo)右鍵，選擇【Runtme_Measure】→【Guesses】→【pid_1】，然后在單擊InsertObject Name按鈕，單擊OK，如圖2.18所示。用同樣的方法將關(guān)節(jié)2的單分量力矩與pid_2相關(guān)聯(lián)。

2.18 PID環(huán)節(jié)的輸出與單分量力矩相關(guān)聯(lián)

 

（7）     PID控制環(huán)節(jié)的參數(shù)調(diào)節(jié)。單擊F8進(jìn)入后處理模塊中，在后處理模塊中將關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2的輸入角位移和輸出角位移進(jìn)行比較，然后修改PID環(huán)節(jié)的參數(shù)，直至兩條曲線重合為止，如圖2.19，2.20所示。

2.19 關(guān)節(jié)1的位移調(diào)節(jié)曲線

 

2.20 關(guān)節(jié)2的位移調(diào)節(jié)曲線

（8）繪制運(yùn)動(dòng)軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關(guān)節(jié)2右端點(diǎn)Marker4，再選擇關(guān)節(jié)1與大地的鉸接點(diǎn)，鼠標(biāo)移動(dòng)到Joint1處，單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出對(duì)話框中選擇ground，單擊OK創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2.21所示。

 

2.21 機(jī)械臂末端軌跡

2.1.4           基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)控制

現(xiàn)在以MATLAB作為外部控制程序，仍以2.1.3節(jié)中的軌跡規(guī)劃為例，來(lái)說(shuō)明ADAMS與MATLAB的聯(lián)合控制過(guò)程。詳細(xì)過(guò)程如下：

（1）     建立機(jī)械臂模型。按照2.1.1節(jié)（1）~（7）建立模型，并添加相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，然后在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副位置分別添加單分量力矩。

（2）     創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量。單擊菜單【Build】→【System Elements】→【StateVariable】→【New】，彈出創(chuàng)建狀態(tài)變量對(duì)話框。將Name輸入框改成Torque1，單擊OK按鈕，如圖2.22所示。用同樣的方法創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量Torque2。

 

2.22 創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量

（3）將狀態(tài)變量與模型相關(guān)聯(lián)。在圖形區(qū)雙擊力矩圖標(biāo)，打開對(duì)話框如圖2.23所示，在Function中輸入VARVAL(Torque1)，單擊OK按鈕后將狀態(tài)變量Torque1與單分量力矩關(guān)聯(lián)起來(lái)，同樣將另一個(gè)單分量力矩與狀態(tài)變量關(guān)聯(lián)起來(lái)。

 

2.23 狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián)

（4）創(chuàng)建輸出狀態(tài)變量。單擊菜單【Build】→【System Elements】→【StateVariable】→【New】，彈出創(chuàng)建狀態(tài)變量對(duì)話框，如圖2.24所示。將Name輸入框修改成spline1，然后用上節(jié)提到的方法將該狀態(tài)變量與SPLINE1關(guān)聯(lián)，單擊OK。然后再建立狀態(tài)變量angle1，然后在F(time…)=輸入框中輸入表達(dá)式AZ(MARKER_1,MARKER_6)，單擊OK。用同樣的方法創(chuàng)建狀態(tài)變量spline2和angle2。

 

2.24 創(chuàng)建輸出狀態(tài)變量

（5）指定狀態(tài)變量為輸入輸出變量。單擊菜單【Build】→【ControlsToolkit】→【Plant Input】/【PlantOutput】后彈出相應(yīng)的對(duì)話框，如圖2.25所示，然后添加相應(yīng)的輸入輸出變量即可完成定義。分別將Torque1、Torque2指定為輸入變量，將spline1、spline2、angle1、angle2指定為輸出變量。

 

2.25 指定輸入/輸出/變量

（6）導(dǎo)出控制參數(shù)。單擊菜單【Controls】→【PlantExport】，彈出導(dǎo)出控制參數(shù)對(duì)話框，如圖2.26所示。在File Prefix輸入框中輸入adams_matlab，在PlantInput輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入PINPUT_1，在PlantOutput輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入POUTPUT_1，將ControlPackage選擇為MATLAB，其他為默認(rèn)，單擊OK按鈕后，在ADAMS工作目錄中生成adams_matlab.m、adams_matlab.cmd、adams_matlab.adm這3個(gè)文件。

 

2.26 導(dǎo)出控制參數(shù)對(duì)話框

（7）啟動(dòng)MATLAB，將MATLAB的工作目錄指向ADAMS的工作目錄。在MATLAB命令窗口中輸入adams_matlab，然后輸入命令adams_sys，該命令是ADAMS與MATLAB的接口命令。彈出了一個(gè)新的窗口，該窗口是MATLAB/Simlink選擇窗口，窗口中包含的內(nèi)容如圖2.27所示。

 

2.27 MATLAB/Simlink窗口

（8）建立控制方案。在MATLAB/Simlink選擇窗口中，單擊菜單【File】→【New】→【Model】，彈出了新窗口，將新窗口存盤為adams_matlab.mdl，將adams_sub方框拖到adams_matlab.mdl中，然后在窗口中添加相應(yīng)的環(huán)節(jié)，組成控制系統(tǒng)，如圖2.28所示。

 

 

2.28 控制方案

（9）設(shè)置MATLAB于ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù)。在adams_matlab.mdl窗口中雙擊adams_sub方框，在彈出的新窗口中雙擊MSCSoftware，彈出書籍交換設(shè)置對(duì)話框，將SimulationMode設(shè)置成continuous，Animation mode設(shè)置成interactive，其他默認(rèn)，單擊OK按鈕。

（10）仿真設(shè)置和仿真計(jì)算。單擊新窗口中的【Simulation】→【SimulationParameters】，彈出仿真設(shè)置對(duì)話框，在Solver頁(yè)中將Start time 設(shè)置成0，將Stop time設(shè)置成6.28，其他默認(rèn)，單擊OK按鈕。最后單擊菜單【Simulation】→【Start】開始進(jìn)行仿真計(jì)算。

（11）結(jié)果后處理。回到ADAMS/View，單擊【File】→【Import】，在彈出的導(dǎo)入對(duì)話框中，將FileType設(shè)置成ADAMS/Solver Analysis（*.req，*.gra，*.res），在File ToRead輸入框中用鼠標(biāo)右鍵瀏覽輸入adams_matlab.res文件，然后通過(guò)處理模塊繪制出spline1和angle曲線進(jìn)行對(duì)比，然后在調(diào)節(jié)PID控制的增益系數(shù)，直到關(guān)節(jié)的輸入與輸出曲線重合，繪制運(yùn)動(dòng)軌跡。