双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真
双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真

通 过二者 的联 合仿 真 可 以达 到提 高 设计 性 能 、 低 降
设计 成本 、 减少 产 品开发 时间 的 目的H 。 1]
lb 联合仿 真 a;
中 图分类 号 : P 9 . T 319
文献 标识码 : A 文 章 编 号 : O 1 2 7 2 0 ) 1 0 5一O 1 0 —2 5 (0 8 0 —0 4 3
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双 足 机 器人 基 于 A DAMS与 Malb的 t a 联合仿真
史 耀 强 厉 明 勇 顿 研 究所 , 1上 上海 2 0 4 ; . 州科技 馆 , 02 02 温 浙江 温 州 3 5 0 ) 2 0 0
1 仿 真 系统 的 总 体 设 计
在虚 拟样 机 动力 学 与控 制集 成 仿 真系 统 中 , 进 行 AD AMS和 Malb联 合 仿 真 , t a 由仿 真 分 析 软 件
AD AMS提供 虚拟 样 机 的 三维 模 型 、 动 学 模 型 和 运
动力 学模 型 , 制 软 件 Malb提 供 控制 目标轨 迹 、 控 t a 控 制 算法 L , 过 二者 之 间 的 数据 接 口, t b将 2通 ] Mal a
( . e Ro o is I s iu e S h o fM e h n c l g n e i g, h n h i io To g Un v r i S a g a 0 2 0, i a 1 Th b t n tt t , c o l c a ia c o En i e rn S a g a J a n i e st y, h n h i 0 4 Ch n ; 2
Absr c : n or e o i p o hee fce y a ta t I d rt m r vet fi inc nd r l biiy o p d r bo e i n, hesm ulto y — e i lt fbi e o td sg t i a a in s s t r a e o r u 1 e b s d n vit a pr t t pe i bu l.The n o o y s it m e — c an c ldy a i o l i e o ot i bul i h ia n m c m de of b p d r b s it n A D A M S. And t o t o1s s e sa ebui n M a hec n r y t m r l i t t 1b a w ih he t t he p f o b Si u i l o t ol ox m lnk.T h o h r ug
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。
基于ADAMS的双足机器人建模与仿真

第 27卷 第 5期 文章编号: 1006 - 9348( 2010) 05 - 0162- 04
计算机仿真
2010年 5月
24
2所示的平面二连杆
逆运动学问题。
左 腿髋部的两个关节角可由约束 8 = - 0 和 6 = 4 2 来确定。
对右腿来 说, 在 O 系中髋部 ( C2 点 ) 和踝部 (A 2 点 ) 的坐 标之差为:
xC 2 - xA 2
- L1 sin( 7 - 5 ) - L2 sin 7
yC 2 - yA 2 = ( L1 cos( 7 - 5 ) + L 2 co s 7 ) s in 9 ( 8)
zC 2 - zA 2
( L1 co s( 7 - 5 ) + L2 cos 7 ) cos 9
这个表 达式的 结构和 C 1 点坐标 的结构 类似, 可 以采用
同 样的方法来求出 5、 7和 9。1 和 3 只影响右脚的姿态, 可
以根据行走时 的需要来设定。
3 虚拟样机的建立
根据双 足机器人的 七连杆结 构模型, 在 A DAM S 中建立 双足机器人虚 拟样机模型, 所需参数根 据物理样机 的数据来 进够大。 为了实现虚拟样 机的运动, 要对相 邻连杆间的 各个关节
添加运动副。根据之前 设定的 双足 机器 人的自 由度, 各 关节 处设定的运动副如表 1。
从 P1 ( - XP, - YP ) 开始, 经过 O 点最后到达 P 2 (XP, - YP )。
表 1 虚拟样机的关节约束
ADAMS+matlab联合仿真

一、ADAMS /Controls模块ADAMS /Controls是ADAMS其他模块如ADAMS/View,ADAMS/Car,ADAMS/solver等的插件模块,为建立的模型添加控制系统。
通过ADAMS/Controls 模块,可以将机械系统仿真分析工具同控制设计仿真软件MATLAB,EASY5,MATRIX等有机地连接起来,实现以下功能。
(1)将复杂的控制系统添加到机械系统模型中,然后对机电一体化进行联合分析。
(2)直接利用ADAMS程序创建控制系统分析中的机械系统仿真模型,而不需要使用数学公式建模。
(3)在ADAMS环境或控制应用程序环境获得机电联合仿真结果。
ADAMS /Controls控制系统可以有两种使用方式:●交互式:在ADAMS/Car, ADAMS /Chassis,ADAMS/Rail, ADAMS/View等模块中添加ADAMS /Controls,通过运动仿真查看控制系统和模型结构变化的效果。
●批处理式:为了获得更快的仿真结果,直接利用ADAMS /Solver这个强有力的分析工具运行ADAMS /Controls。
设计ADAMS/Controls控制系统主要分为4个步骤:1.建模:机械系统模型既可以在ADAMS /Controls下直接建立,也可以外部输入已经建好的模型。
模型要完整包括所需的所有几何条件、约束、力以及测量等。
2.确定输入输出:确定ADAMS 输入输出变量,可以在ADAMS和控制软件之间形成闭环回路。
3.建立控制模型:通过一些控制软件如Matlab、Easy5或者Matrix等建立控制系统模型,并将其与ADAMS机械系统连接起来。
4.仿真模型:使用交互式或批处理式进行仿真机械系统与控制系统连接在一起的模型。
二、MA TLAB/Simulink工具箱MA TLAB是MathWorks公司开发的软件,具有很多工具箱,其中Simulink工具箱,可以应用于对动态系统进行仿真和分析,他可以处理的系统包括:线性、非线性系统;离散、连续及混合系统;单任务、多任务离散事件系统。
双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真

双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合仿真
史耀强;厉明勇;顿向明;刘琦
【期刊名称】《机械与电子》
【年(卷),期】2008(000)001
【摘要】为提高双足机器人设计的效率与可靠性,建立基于虚拟样机技术的仿真系统.在ADAMS中建立双足机器人的机械动力学模型,利用Matlab中的Simulink 工具箱建立控制系统,通过ADAMS与Matlab的接口ADAMS/Controls模块,实现双足机器人基于ADAMS与Matlab的联合步行仿真.虚拟样机联合仿真方法面向多领域,可避免复杂的人工建模和求解过程,仿真逼真且接近实际系统,为双足机器人物理样机的研制提供依据.
【总页数】3页(P45-47)
【作者】史耀强;厉明勇;顿向明;刘琦
【作者单位】上海交通大学机器人研究所,上海,200240;温州科技馆,浙江,温
州,325000;上海交通大学机器人研究所,上海,200240;上海交通大学机器人研究所,上海,200240
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于Adams和Matlab联合仿真的双足机器人越障研究 [J], 于薇
薇;C.Sabourin;K.Madani;闰杰
2.基于ADAMS与MATLAB的药仓推药链联合仿真 [J], 管佳伟;李志刚
3.基于MATLAB和ADAMS的炮控系统联合仿真 [J], 冷华杰;马晓军;王科淯
4.基于Adams和Matlab的轮毂电机建模与联合仿真 [J], 张瑞军
5.基于Adams和Matlab的轮毂电机建模与联合仿真 [J], 张瑞军
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adam与matlab联合仿真的实现

以电动助力转向的联合仿真实现为例,看看怎么联合起来的4.3 ADAMS-MATLAB联合仿真实现ADAMS提供了两种实现机电一体化联合仿真的方法。
一种方法是利用ADAMS 提供的控制工具箱(Control Toolkit)来实现控制等电气系统与机械系统的联合仿真。
控制工具箱提供简单的线性控制模块和滤波模块,可以方便地实现前置滤波、PID控制和其他连续时间单元的模拟仿真。
对于较为简单的控制问题,可以直接在样机模型中添加控制模块,搭建控制系统,完成机电一体化联合仿真。
另一种方法是使用ADAMS/Control模块来实现,利用ADAMS/Control模块可以实现将在ADAMS中建立的样机机械模型与MATLAB、EASY5、MATRIX等软件中建立的电气模型联合起来,实现机电一体化联合仿真。
由于在MATLAB/Simulink中进行电气控制系统建模非常方便,很适合建立比较复杂的控制系统模型,所以本文使用ADAMS/Control模块来将在ADAMS/Car中建立的整车模型与在MATLAB/Simulink中建立的电动助力转向系统模型联合起来,完成整个机电一体化联合仿真。
仿真的过程中,会在ADAMS/Car和MATLAB/Simulink中形成回路[31],如图4-10所示:图 4-10 ADAMS/Car和MATLAB/Simulink联合仿真回路图中,Control Application即在MATLAB/Simulink中建立的电动助力转向系统。
ADAMS/Car中的整车模型输出车速及方向盘扭矩,作为MATLAB/Simulink中建立的电动助力转向系统的输入,电动助力转向系统输出齿条助力,作为整车模型的输入,在仿真的过程中的每个采样时刻信号在两个软件之间进行交换一次。
本文实现联合仿真的过程如下[32][33][34]:1. 要定义好整车模型的输入输出:(1)建立输入,在建立转向系统模板时提到要在Template Builder模式下建立状态变量rack_ assist_ force,使用VARVAL函数,使VFORCE取状态变量rack_ assist_ force的值,即VFORCE的函数值设为VARVAL(._rack_pinion_steering.rack_assist_force),再建立一个名为“control”的Plant_ Input,使用状态变量rack_ assist_ force。
adams和matlab的联合仿真心得

经过反复查阅资料和无数次尝试,终于初步实现了adams和matlab的联合仿真,放在这里,一为备忘,二为纪念。
*:\MSC.Software\MSC.ADAMS\2005\controls\examples中的ball_beam为例,以下为详细步骤:1、将ball_beam文件夹拷贝到任一位置,在adams/aview中以"importa file"打开"ball_beam.cmd"。
2、假定已经完成adams的建模、约束和力的添加。
3、创建输入状态变量:my_torquebuild ->state elements ->state varilable ->new:在name栏内填写“my_torque”。
ok退出。
在主界面中需要连接输入状态变量的力矩标示上右点选择"Torque:*** ->modify",在function栏后点击"function builder"按钮,填写函数VARVAL(.ball_beam.my_torque),然后ok退出。
至此,完成了“从 my_torque 中获取力矩值”的关键一步,控制软件matlab到adams的输入通道构建完毕。
4、检验定义的状态变量:build ->state elements ->state varilable ->modify中选取my_torque,在F(time..)栏任意填写一给定,在主界面右点然后使用“measure"进行某参数值的量测,进行仿真判断输出变量设置,完成后改回零值。
5、创建输出状态变量:my_angle, my_positionbuild ->state elements ->state varilable ->new:在name栏内填写“my_angle”。
在F(time..)栏后点击按钮,创建函数AZ(.ball_beam.beam.cm),ok退出。
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中图分类号 : TP391. 9 文献标识码 :A 文章编号 :1001 - 2257 (2008) 01 - 0045 - 03 Abstract :In order to imp rove t he efficiency and reliabilit y of biped ro bot design ,t he simulatio n sys2 tem based o n virt ual p rotot ype is built . The me2 chanical dynamic model of biped ro bot is built in ADAMS. A nd t he co nt rol systems are built in Mat2 lab wit h t he help of toolbo x Simulink. Thro ugh ADAMS/ Co nt rol s ,we can realize coordinated sim2 ulatio n of walking based o n ADAMS and Matlab. Collaborative simulatio n can do multi - filed simu2 latio n ,avoid heavy works of manual modeling ,and offer fo undatio n for t he st udy of biped ro bot . Key words :biped ro bot ; virt ual p rotot ype ; AD2 AMS ;Matlab ;coordinated simulatio n
图 4 髋关节运动角度
髋关节的角速度曲线如图 5 所示 ,从此图中可 以看出双足机器人平地行走过程中髋关节角速度的 情况 。髋关节驱动力矩曲线如图 6 所示 ,从此图中 可以看出机器人平地行走过程中髋关节相应的力矩 的变化情况 。通过处理还可以看到最高转速 、有效 转速和最大转矩 、有效转矩 。我们在选择电机和减 速器时 ,就可以根据最大转矩来确定电机和减速器 的堵转转矩 ,而有效转矩可对应电机的平均转矩 ,电 机都有一个最佳工作速度区间 ,根据角速度变化情 况就可以确定减速器等传动部件的传动比等参数 , 综合考虑速度与力矩就可以选出比较合适的电机和 相应的传动部件 。
[ 6 ] Huang Q , Sugano S , Tani K. A high stability smoot h walking pattern for biped robot [ A ] . IEEE. Conf . o n Robotics and Automatio n[ C ] . 1999. 65 - 71.
1 仿真系统的总体设计
在虚拟样机动力学与控制集成仿真系统中 ,进 行 ADAMS 和 Matlab 联合仿真 ,由仿真分析软件 ADAMS 提供虚拟样机的三维模型 、运动学模型和 动力学模型 ,控制软件 Matlab 提供控制目标轨迹 、 控制算法[2] ,通过二者之间的数据接口 , Matlab 将 样机的力矩控制指令送给 ADAMS ,后者将样机关 节角反馈给前者 ,形成完整的闭环控制系统 。仿真 系统如图 1 所示 。
图 3 机器人详细控制系统
为此 ,要实现联合仿真还需要定义输入 、输出变 量 ,根据双足机器人的 12 个关节 ,要分别定义 12 个 输出和输入变量 ,输入变量要和关节驱动力矩关联 起来输入到 ADAMS 中 ,输出变量要和关节运动角 度关联起来作为反馈由 ADAMS 输出 ,与规划好的 步态数据进行比较 ,这样就实现了 ADAMS 与 Mat2 lab 之间的信息封闭循环 。
在模型建好后 ,需要给双足机器人模型定义约 束和施加载荷 。在模型中主要用到了 2 种约束 :固 定约束和旋转约束 ,没有相对运动的零件采用固定 约束 ,有相对转动的零件之间采用旋转约束 。机器 人各关节主要是旋转运动 ,模型通过 12 个旋转约束 表示 12 个关节 (踝关节 2 个 ,膝关节 1 个 ,髋关节 3 个) 。关节运动要靠力矩来驱动 ,要在机器人模型的 各关节上施加驱动力矩 。 2. 2 运动环境的动力学建模
4 联合仿真
图 2 虚拟样机运动环境建模
3 虚拟样机控制系统设计
控制系统的设计中把双足机器人的非线性耦合 系统简化为线性多变量解耦系统 ,每个关节采用单
·46 ·
控制系统搭建好之后即可进行联合仿真 。在仿 真过程中 ,机械动力学解算通过植入的 ADAMS 模 块进行 ,控制解算通过控制软件求解器 ,两者之间通 过状态空间进行接口变量的联系 ,在仿真离散时间 点上通过 IPC 进行相关信息的交互[9] 。仿真运行 时 ,可以在 Matlab/ Simulink 中观察并输出仿真结 果曲线 。同时 ,也可以在仿真结束后 ,进入 ADAMS 的后处理 ( Po stp rocess) 模块观看仿真动画 。
图 1 联合仿真系统
2 机器人本体及环境的动力学建模
2. 1 机械模型动力学建模 为了使模型能接近于实体结构 ,要根据机器人 ·45 ·
的下肢机构设计参数 ,建立机器人的下肢数字样机 模型 。在 ADAMS 中很难精确建立如此复杂的模 型 ,因此选择 Pro/ E ,其具有很强的实体造型和虚拟 装配能力[3 ] 。
为输入 ,从 ADAMS 导出的机器人动力学模块可以
嵌入到 Matlab 环境中 ,并提供关节运动角度作为反
馈 ,形成闭环控制 。本文采用 ZM P 步态规划法对
双足机器人进行步态规划 , ZM P 即零力矩点 ,是双
足机器人所受的重力 、惯性力和地面反力三者的合
力矢的延长线与地面的交点[7 - 8] ,在此不再赘述 。
2. Wenzho u Science and Technology Museum ,Wenzho u 325000 ,China)
摘要 :为提高双足机器人设计的效率与可靠性 , 建立基于虚拟样机技术的仿真系统 。在 ADAMS 中建立双足机器人的机械动力学模型 ,利用 Matlab 中的 Simulink 工具箱建立控制系统 ,通过 ADAMS 与 Matlab 的接口 ADAMS/ Co nt rol s 模块 ,实现双 足机器人 基于 ADAMS 与 Matlab 的 联合 步行 仿 真 。虚拟样机联合仿真方法面向多领域 ,可避免复 杂的人工建模和求解过程 ,仿真逼真且接近实际系 统 ,为双足机器人物理样机的研制提供依据 。
后期的仿真工作要在 ADAMS 中进行 ,因此需 要将在 Pro/ E 中 建 立 好 的 机 械 模 型 导 入 到 AD2 AMS 中 。有 2 种方法 ,一种是通过它们的专用接口 软件 Mechanical/ Pro 来进行模型的传递 ,另一种方 法是改变 Pro/ E 中文件的保存格式为 Parasolid 格 式 ,然后导入 ADAMS 中就可以用了[4 - 5 ] 。采用第 2 种方法 ,在传输过程中会丢失质量 、转动惯量等模 型参数 ,因此在导入模型之后 ,为了更好地模拟真实 情况 ,所有的质量和惯量信息都采用手动输入 。
独的 PID 控制器[6] ,其控制规律为 :
∫ T = kP e + kD e + kI ed t
式中 T 关节驱动力矩
kP , kD , kI
比例增益 、微分增益 、积分增益
e 关节规划转角与实际关节转角之差
如图 3 所示 , 把离线规划 好的步 态数 的驱动力矩作
通过观看动画可以验证步态规划的合理性以及 控制方法的有效性 ,在后处理模块还可以计算处理
《机械与电子》2008 (1)
各个关节运动副上的角位移 、角速度 、角加速度 、作 用力和作用力矩等数据曲线 。下面分别以髋关节为 例进行说明 。
髋关节的运动角度如图 4 所示 ,从此图中可以 看到机器人平地步行过程中髋关节角度的变化情 况 ,从而可以验证模型的有效性 ,看是否超出模型所 设计的运动范围 。
[ 3 ] 杨以明. 双足步行机器人仿真 [ D ]. 北京 : 清华大学 , 2005.
[ 4 ] 何冬青 ,马培荪. 四足机器人动态步行仿真及步行稳定 性分析[J ] . 计算机仿真 ,2005 ,22 (2) :146 - 149.
[ 5 ] 王斌锐 ,金英连 ,徐心和. 仿生膝关节虚拟样机与协同 仿真方法研究[J ] . 系统仿真学报 ,2006 ,18 (6) :1554 1557.
双足机器人基于 ADA M S 与 Matlab 的 联合仿真
史耀强1 ,厉明勇2 ,顿向明1 ,刘 琦1 (1. 上海交通大学机器人研究所 ,上海 200240 ;2. 温州科技馆 ,浙江 温州 325000)
Coo rdinated Simulatio n of Biped Ro bot Based o n ADAMS and Matlab
SHI Yao - qiang1 ,L I Ming - yong2 ,D UN Xiang - ming1 ,L IU Qi1 (1. The Robotics Instit ute ,School of Mechanical Engineering ,Shanghai Jiao Tong U niversity ,Shanghai 200240 ,China ;
收稿日期 :2007 - 08 - 14
《机械与电子》2008 (1)
0 引言
由于双足机器人研制的复杂性 ,有必要在物理 样机制造之前 ,建立一个虚拟原理样机系统 ,在各种 虚拟环境中模拟机器人双足步行系统的运动和状 态 ,以评估机器人步态规划 、步行控制算法的有效 性 ,并对设计方案进行优化 ,提高物理样机研制成功 的概率 。而 ADAMS 软件是虚拟样机领域非常优 秀的软件 ,在控制领域比较优秀的软件是 Matlab , 通过二者的联合仿真可以达到提高设计性能 、降低 设计成本 、减少产品开发时间的目的[1 - 2 ] 。