2.1.1           運動學分析

下面是建立模型并對模型進行設置分析的詳細過程。

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

（2）     打開坐標系窗口。按下F4鍵，或者單擊菜單【View】→【CoordinateWindow】后，打開坐標系窗口。當鼠標在圖形區移動時，在坐標窗口中顯示了當前鼠標所在位置的坐標值。

（3）     創建機械臂關節1（連桿）。單擊連桿按鈕，勾選連桿的長、寬、深選項，分別將其設置為300mm、40mm、10mm，如圖2.1所示。在圖形區單擊鼠標左鍵，然后將連桿拖至水平位置時，在單擊鼠標左鍵。

（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設置為10mm，深度設置為10mm，如圖2.2所示。然后在圖形區模型附近單擊鼠標左鍵，在與XY平面垂直的表面上單擊鼠標左鍵。然后修改孔的位置，在孔附近單擊鼠標右鍵，選擇【HOLE_1】→【Modify】，在彈出的對話框中，將Center的坐標值設置成（300，0.0，5.0），如圖2.3所示。

（5）         用（3）的方法在關節1右端孔中心處創建關節2，如圖2.4所示。然后再將關節2向內側平移10mm。

 

2.1 創建連桿設置

（6）添加約束。在關節1的左端與大地之間添加轉動副，在關節1與關節2結合處添加轉動副。單擊工具欄中的旋轉副按鈕，并將創建旋轉副的選項設置為2Bod-1Loc和NormalGrid，然后在圖形區單擊關節1和大地，之后需要選擇一個作用點，將鼠標移動到關節1的Marker1處出現center信息時，按下鼠標左鍵后就可以創建旋轉副，旋轉副的軸垂直于工作柵格。然后用同樣的方法創建關節1與關節2之間的旋轉副。

 

（7）添加驅動。在運動副1（Joint1）和運動副2（Joint2）上分別添加旋轉驅動。單擊主工具欄的旋轉驅動按鈕，然后在選擇上面創建的旋轉副1，然后在圖形區單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中中選擇Modify，在編輯對話框中將驅動函數設置為40d*sin(time)，如圖2.6所示。用同樣的方法在旋轉副2上創建旋轉驅動，并將驅動函數設置為15d*time*(-1)。

 

（8）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設置為Kinematic，仿真時間EndTime設置為25，仿真步數Steps設置為500，然后單擊運行按鈕進行仿真計算。

（9）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.7所示。

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

 

在后處理模塊，通過菜單【View】→【LoadAnimation】可以載入動畫。在仿真動畫中可以播放兩種動畫，一種是在時間域內進行的運動學和動力學仿真計算動畫；另一種是在頻率域內的，播放通過現行化或者在震動模塊中的計算模型的振型動畫。單擊播放按鈕后開始播放動畫，如果在播放同時按下記錄按鈕，在播放動畫的同時也將動畫保存到動畫文件中，動畫文件位于ADAMS的工作目錄下。

在后處理模塊中，通過菜單【View】→【LoadPlot】，通過選擇相應的選項，繪制出相應的結果曲線。如果2.9、2.10所示，分別繪制出機械臂末端點的速度曲線和加速度曲線。

2.1.2           動力學分析

（1）     創建機械臂模型。按照2.1.1節的（1）~（6）步創建同樣的機械臂，并添加運動副約束。

（2）     添加驅動。與運動分析不同，動力學分析添加的驅動為單分量力矩。單擊工具欄上的單分量力矩選項 ，將選項設置為SpaceFixed、Normal toGrid和Constant，然后勾選Torque項并輸入4000，然后在圖形區單擊關節1，再在其上單擊任何一點。用同樣的方法添加關節2的驅動，并將其值設置為-100，如圖2.11所示。

 

2.11 添加單分量力矩

（3）運動學計算仿真。單擊菜單【Simulate】→【IteractiveControls】，打開交互式仿真控制對話框，在對話框中將仿真時間EndTime設置為2，仿真步數Steps設置為500，仿真類型Type設置為Dynamic，單擊仿真計算按鈕，觀看仿真動畫，模型將在重力和驅動力矩作用下運動。

（4）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.12所示。

2.12 機械臂末端運動軌跡

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

在后處理模塊中，通過菜單【View】→【LoadPlot】，通過選擇相應的選項，繪制出相應的結果曲線。如果2.13、2.14所示，分別繪制出機械臂末端點的速度曲線和加速度曲線。

2.13 機械臂末端速度曲線

2.14 機械臂末端加速度曲線

 

2.1.3           軌跡規劃

本例將建立在ADAMS/View中用ControsToolkits建立控制系統，通過PID環節進行控制，控制對象是作用在每個關節單分量力矩，使機械臂的末端運動軌跡為圓。

因為關節1的一端與大地（Ground）原點鉸接，因此將圓的方程設為（x-550）2+y2=502，用參數形式表示就是x=550+50*cos（t），y=50*sin（t），要使關節2的末端運動軌跡按指定的軌跡運動，這時需要通過軌跡方程計算出兩個關節的關節變量，然后將這兩個關節變量作為控制系統模型的關節輸入。用MATLAB編程，計算兩關節變量，用到的函數是求解非線性方程組的函數fsolve，設1 ， 2分別為關節1和關節2的角位移， 1， 2為兩關節的長度，非線性方程組為 ，MATLAB程序計算代碼如下：

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）         %調用的函數文件

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；

計算完成后，矩陣q1里面保存的是關節1的角位移，矩陣q2里面保存的是關節2的角位移，然后再將這兩個關節變量以SPLINE的形式輸入到ADAMS中，作為模型的關節輸入。

建立控制系統具體步驟如下：

（1）     建立機械臂的模型，在兩個關節處分別添加單分量力矩，然后將數值設為0。

（2）     將MATLAB計算出的數據以Spline形式導入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據：第一列為時間，第二列為q1矩陣。單擊菜單【File】→【Import】→【TestData】后，選中Create Splines，然后在File ToRead輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Browse】在彈出的對話框中選擇相應的文本文件，在IndependentColumnIndex中輸入1，表示默認第一列為時間，然后單擊OK按鈕創建了SPLINE。如圖2.15所示。然后用同樣的方法導入關節2的數據。

 

2.16 導入數據文件建立SPLINES

 

（3）     建立控制系統的輸入環節。單擊菜單【Build】→【Controls Toolkit】→【Standard ControlBlocks】后，彈出創建控制環節工具包，在其中單擊輸入環節按鈕，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，，彈出函數構造器，在其函數下拉表中選Spline項，然后單擊Assist按鈕，彈出函數輔助對話框，在FirstIndependent Variable中輸入1，然后在SplineName中單擊鼠標右鍵，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 建立輸入環節

 

用同樣的方法再建立輸入環節，將名稱改為.Control_PID.joint1.angl，在彈出的函數構造器中選擇Displacement項，然后在其下面的函數列表中，單擊Angleabout z，單擊Assist按鈕，彈出函數輔助對話框，ToMaker輸入框中單擊鼠標右鍵，在菜單中選擇【Marker】→【Pick】項，然后單擊與旋轉副相關聯的PART_2.MARKER_3，用同樣方法為FromMarker輸入框市區旋轉副相關聯的ground.MARKER_4，單擊OK按鈕。

（4）     創建比較環節。單擊控制環節工具包中的比較環節按鈕 ，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輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】→【Guesses】→【Joint1_angl】，其他選項默認。用同樣的方法建立關節2的比較環節.Control_PID.sum2。

（5）     創建PID環節。單擊控制環節工具包中的PID按鈕，在Input輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_sum】→【Guesses】→【sum_1】，在Input2輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】→【Guesses】→【Joint1_angl】，其他選項默認，如圖2.17所示。用同樣的方法建立關節2的PID控制環節。

2.17 創建PID環節

 

（6）     將單分量力矩參數化。在圖形區雙擊單分量力矩的圖標，在彈出的編輯對話框中，單擊Function輸入框后的函數構造器按鈕，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。用同樣的方法將關節2的單分量力矩與pid_2相關聯。

2.18 PID環節的輸出與單分量力矩相關聯

 

（7）     PID控制環節的參數調節。單擊F8進入后處理模塊中，在后處理模塊中將關節1與關節2的輸入角位移和輸出角位移進行比較，然后修改PID環節的參數，直至兩條曲線重合為止，如圖2.19，2.20所示。

2.19 關節1的位移調節曲線

 

2.20 關節2的位移調節曲線

（8）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】→【Create TraceSpline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.21所示。

 

2.21 機械臂末端軌跡

2.1.4           基于ADAMS和MATLAB的聯合運動控制

現在以MATLAB作為外部控制程序，仍以2.1.3節中的軌跡規劃為例，來說明ADAMS與MATLAB的聯合控制過程。詳細過程如下：

（1）     建立機械臂模型。按照2.1.1節（1）~（7）建立模型，并添加相應的運動副，然后在兩個旋轉副位置分別添加單分量力矩。

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

 

2.22 創建輸入狀態變量

（3）將狀態變量與模型相關聯。在圖形區雙擊力矩圖標，打開對話框如圖2.23所示，在Function中輸入VARVAL(Torque1)，單擊OK按鈕后將狀態變量Torque1與單分量力矩關聯起來，同樣將另一個單分量力矩與狀態變量關聯起來。

 

2.23 狀態變量與模型關聯

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

 

2.24 創建輸出狀態變量

（5）指定狀態變量為輸入輸出變量。單擊菜單【Build】→【ControlsToolkit】→【Plant Input】/【PlantOutput】后彈出相應的對話框，如圖2.25所示，然后添加相應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）導出控制參數。單擊菜單【Controls】→【PlantExport】，彈出導出控制參數對話框，如圖2.26所示。在File Prefix輸入框中輸入adams_matlab，在PlantInput輸入框中用鼠標右鍵快捷菜單輸入PINPUT_1，在PlantOutput輸入框中用鼠標右鍵快捷菜單輸入POUTPUT_1，將ControlPackage選擇為MATLAB，其他為默認，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個文件。

 

2.26 導出控制參數對話框

（7）啟動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。彈出了一個新的窗口，該窗口是MATLAB/Simlink選擇窗口，窗口中包含的內容如圖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的環節，組成控制系統，如圖2.28所示。

 

 

2.28 控制方案

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

（10）仿真設置和仿真計算。單擊新窗口中的【Simulation】→【SimulationParameters】，彈出仿真設置對話框，在Solver頁中將Start time 設置成0，將Stop time設置成6.28，其他默認，單擊OK按鈕。最后單擊菜單【Simulation】→【Start】開始進行仿真計算。

（11）結果后處理。回到ADAMS/View，單擊【File】→【Import】，在彈出的導入對話框中，將FileType設置成ADAMS/Solver Analysis（*.req，*.gra，*.res），在File ToRead輸入框中用鼠標右鍵瀏覽輸入adams_matlab.res文件，然后通過處理模塊繪制出spline1和angle曲線進行對比，然后在調節PID控制的增益系數，直到關節的輸入與輸出曲線重合，繪制運動軌跡。