基于机器人实验教学的虚拟仿真集成技术探讨

2017-12-15杨丽新黄亮辉

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：液压界面驱动

杨丽新, 黄亮辉

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)

基于机器人实验教学的虚拟仿真集成技术探讨

杨丽新, 黄亮辉

(华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640)

机器人实验教学是高校培养工程科技人才综合实践能力的核心课程之一。由于机器人价格昂贵、数量少，导致学生实践操作机会有限。仿真技术的发展，为解决这一问题开辟了新途径。利用计算机仿真技术、虚拟现实技术以及人工智能控制技术，突破MATLAB与ADAMS联合仿真关键技术，将系统仿真与三维虚拟样机建模结合起来实现机电液一体化，设计了面向锻造机器人的数字虚拟仿真集成平台，可作为机器人实验教学演示的工具。学生可在数字虚拟仿真环境中直观地对锻造机器人虚拟原型进行结构优化设计、性能评价、制造和使用仿真等操作。该平台对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、缩短开发周期有参考价值。

机器人；实验教学；锻造机器人；数字虚拟仿真平台

0 引言

专业人才培养的数量和质量相对滞后已成为机器人应用的瓶颈和门槛之一，亟需加大满足产业发展和企业需求的机器人专业人才培养力度。随着机器人技术的不断发展，越来越多的高等院校开设了机器人相关理论课程。机器人应用技术实践性强，枯燥的理论教学难以激发学生的学习兴趣。然而，机器人价格昂贵，导致学生的实操训练机会有限。仿真技术的兴起，为解决这一问题开辟了新途径[1-3]。目前，数字虚拟现实仿真技术[4]的应用研究领域随着其自身的快速发展而不断成熟和扩大，通过该技术所构建的人机友好的虚拟仿真环境已经成为仿真领域中的前沿发展方向之一[5-7]。由于锻造机器人集机电液于一体、成本高等特点，导致其实验教学通常难以有效开展，因此，高效和高保真的数字虚拟仿真技术成为锻造机器人实验教学的重要支撑技术。

本文将新兴的虚拟样机仿真技术应用于锻造机器人实验教学环节，突破联合仿真关键技术，将系统仿真与三维虚拟样机建模结合起来实现机电液一体化，建立一个友好的锻造机器人实验平台。学生可在数字虚拟仿真环境中直观地对锻造机器人虚拟原型进行结构优化设计、性能评价、制造和使用仿真等操作集成。本研究对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、缩短开发周期具有重要意义。

1 虚拟仿真平台系统总体设计步骤

锻造机器人的结构复杂、自动化程度高，是一个要求各部分紧密关联的多层次系统。利用总体集成技术、构建包括虚拟样机、仿真技术以及虚拟现实与人机交互技术的锻造机器人机电液一体化虚拟仿真平台(见图1)。

图1 虚拟样机技术的技术体系

采用多软件协同仿真以满足各子系统模块之间信息交互与数据共享，在该系统的设计中，界面布局采用的自顶而下设计方法，先设计数字虚拟仿真平台主界面，再分别设计各个子系统界面。相反，各个回调函数的编写顺序则采用自底而上的程序编写方法，借助函数调用功能编写各个回调函数，使得设计完成的静态界面用于实验操作，再达到仿真分析与计算的功能[8-9]。

2 夹持系统机电液一体化虚拟仿真平台集成技术

2.1 夹持系统虚拟仿真平台主界面的设计

锻造机器人数字虚拟仿真平台的主界面如图2所示。该界面包括了锻造机器人数字虚拟仿真平台的欢迎界面、进入相应子界面的按钮、关闭按钮和相关菜单等。平台共包含了液压、机械、控制、联合仿真和性能分析5个模块。

图2 虚拟仿真平台主界面

主界面的各个子界面又可分为若干子界面,分别调用相应的函数来实现与之对应的仿真与分析功能。同时，为使主界面用户友好、易于操作，设置了一些常用的实现各个子界面有机联系的控件、菜单以及快捷键，相应的动作会随用户单击控件按钮而完成。例如，当单击锻造机器人图片时，会自动执行命令并弹出锻造机器人的夹持演示视频。

2.2 液压模块界面

点击锻造机器人数字虚拟仿真平台主界面中的液压模块按钮，可以进入总液压系统界面(见图3)。该界面设置了夹持液压驱动系统、旋转液压驱动系统以及插装比例节流阀的仿真操作界面按钮。

图3 虚拟仿真平台液压模块界面

由于驱动负载重载、大惯性的特点，本文所研究的夹持旋转液压驱动系统采用两个液压马达并联驱动，详细结构参照文献[10]。同时，为满足避免钳口液压冲击以及保持夹持恒力等要求，系统采用插装式电液比例节流阀实现液压回路调速，设计了夹持液压驱动系统回路[11-12]，其操作界面如图4所示。

图4 虚拟仿真平台液压系统仿真计算界面

2.3 机械模块界面

为方便夹持装置的设计，机械模块界面集成了锻造机器人夹持装置的结构设计方法和所设计出的相关结构，如图5所示。

图5 虚拟仿真平台三维模型界面

2.4 控制模块界面

如图6所示，锻造机器人虚拟仿真平台的控制模块操作界面分为旋转驱动系统控制和夹持系统控制两部分。

图6 虚拟仿真平台夹持控制系统仿真界面

针对锻造机器人夹持液压驱动系统重载、强非线性和参数不确定性等多重特性，分别采用基于神经网络近似内模控制方法的双液压马达驱动系统交叉耦合同步误差补偿控制[12]和基于反向递推技术的多级反演自适应控制。该界面利用回调函数功能实现对系统参数的计算和修改，提高了控制效率、可移植性、可读性和可扩充性。

2.5 联合仿真模块界面

联合仿真系统利用ADAMS软件多体动力学仿真功能和MATLAB强大的计算功能，在ADAMS中建立多体系统并通过MATLAB构建复杂的控制系统[13]进行数据实时交换，实现对锻造机器人夹持装置ADAMS模型(见图7)的交互式联合仿真，协调解决机械、液压、控制系统等问题。在简化建模过程的同时保证了锻造机器人夹持装置动力学模型的正确性，更能代替实际模型进行各种工况的仿真分析，有效地实现制造系统计算机集成，提高锻造机器人的实验教学提供平台。

图7 夹持装置ADAMS模型

ADAMS与MATLAB联合仿真的实现步骤如下：

(1) 建立虚拟模型。ADAMS软件可以直接建立简单模型，但对于复杂模型需要借助专业CAD软件(如UG、SolidWorks、Pro/E等)建模。本文通过Pro/E建立锻造操作机夹持装置三维模型，然后将模型文件保存为Parasolid格式，生成“x_t”文件，导入到ADAMS/View中定义零部件材料、质量、转动惯量等相应属性，添加约束及驱动，从而建立起锻造机器人夹持装置ADAMS虚拟模型(见图7)。

(2) 定义ADAMS的输入和输出。图8所示为ADAMS与MATLAB联合仿真的接口结构图。利用ADAMS中的函数VARVAL，定义夹持装置ADAMS模型的推杆力和支架上的旋转力矩为输入变量，推杆位移和旋转角位移为输出变量，通过ADAMS/Control模块实现与MATLAB设计的控制系统进行数据传递，构成完整的闭环控制系统，从而实现夹持装置推杆位置和旋转角度的精确控制。其中，ADAMS的输入相当于系统的控制输出，ADAMS的输出相当于控制系统的输入和测试值，夹持系统非线性动力学模型则可从夹持装置ADAMS虚拟模型导出得到。

图8 ADAMS与MATLAB的接口

(3) 控制系统结构搭建。利用MATLAB/Simulink工具箱中的S_Function建立Simulink模块，描述推杆液压缸驱动单元和夹持旋转液压驱动单元的非线性动力学模型，并编写推杆液压驱动以及旋转液压驱动系统控制器算法。与生成的ADAMS_sub模块设置好参数后按如图9所示连接起来形成一个闭环系统。

图9 ADAMS与MATLAB联合仿真操作界面

(4) 联合仿真系统实验。联合仿真界面与MATLAB/Simulink相联，插装比例节流阀、液压马达、液压缸、控制器等参数可通过点击联合仿真界面中的相关按钮分别进行设置。点击MATLAB/Simulink的运行按钮进行仿真分析。

2.6 性能分析模块界面

性能分析界面给出了压杆式、长杠杆式和短杠杆式等夹持装置的结构图、受力分析图、参数设置和力学平衡方程。如图10所示为压杆式夹持装置界面及夹持力计算结果。

(a)

(b)

锻造机器人夹持系统虚拟仿真平台设计完成之后，应用MATLAB自带编译器直接生成EXE可执行文件，使用户能脱离MATLAB环境运行人机交互界面评价软件。锻造机器人虚拟仿真平台将操作机复杂的机电液系统集成于一体，可作为机器人实验教学演示的工具，为机器人教育提供了一种新途径和新方法[14-16]。

3 结语

本文利用MATLAB GUI设计了锻造机器人夹持系统虚拟仿真平台，该平台将MATLAB提供的GUI功能与Simulink构造的开放式用户界面相结合，建立了液压模块、机械模块、控制模块等。该平台为ADAMS模型导入、MATLAB作业交互式提交和监控以及MATLAB仿真结果评估提供了一个系统建模、仿真和实时控制一体化的计算机仿真界面，从而实现MATLAB/Simulink和ADAMS联合仿真。通过应用MATLAB自带编译器直接生成EXE可执行文件，方便用户脱离MATLAB环境运行人机交互界面评价软件，具有操作简单、扩充性好、仿真功能和交互能力强大等特点，极大地方便了机器人教育工作。

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IntegratedStudiesofVirtualSimulationTechnologiesforExperimentalTeachingofRobots

YANGLixin,HUANGLianghui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Experimental teaching of robots is one of the core college courses in fostering engineering science and technology talents with practical ability. The limited number of expensive robots causes the students are lack of practical training. The development of simulation technology may pave a new way to solve this problem. A virtual simulation platform of forging robot was designed by integrating computer simulation, virtual reality, and artificial intelligence control technologies. The integration of mechanical-electrical-hydraulic was achieved by combining the system simulation and 3D virtual reality modeling, and also the key technology which is breakthrough of integrated simulation of MATLAB and ADAMS. The platform may be used as a demonstration tool in the experimental teaching of robots. Students can intuitively carry out the integrated operation procedures of the virtual prototype of forging robot in the digital virtual simulation environment, including structure optimization, performance evaluation, manufacturing, and simulated application. It is meaningful in inspiring idea, enhancing quality, reducing error in design, and increasing R&D efficiency.

robots; experimental teaching; forging robot; digital virtual simulation platform