楊麗新, 黃亮輝

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

基于機器人實驗教學(xué)的虛擬仿真集成技術(shù)探討

楊麗新, 黃亮輝

(華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640)

機器人實驗教學(xué)是高校培養(yǎng)工程科技人才綜合實踐能力的核心課程之一。由于機器人價格昂貴、數(shù)量少，導(dǎo)致學(xué)生實踐操作機會有限。仿真技術(shù)的發(fā)展，為解決這一問題開辟了新途徑。利用計算機仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)以及人工智能控制技術(shù)，突破MATLAB與ADAMS聯(lián)合仿真關(guān)鍵技術(shù)，將系統(tǒng)仿真與三維虛擬樣機建模結(jié)合起來實現(xiàn)機電液一體化，設(shè)計了面向鍛造機器人的數(shù)字虛擬仿真集成平臺，可作為機器人實驗教學(xué)演示的工具。學(xué)生可在數(shù)字虛擬仿真環(huán)境中直觀地對鍛造機器人虛擬原型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、性能評價、制造和使用仿真等操作。該平臺對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、提高設(shè)計質(zhì)量、減少設(shè)計錯誤、縮短開發(fā)周期有參考價值。

機器人； 實驗教學(xué)； 鍛造機器人； 數(shù)字虛擬仿真平臺

0 引 言

專業(yè)人才培養(yǎng)的數(shù)量和質(zhì)量相對滯后已成為機器人應(yīng)用的瓶頸和門檻之一，亟需加大滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展和企業(yè)需求的機器人專業(yè)人才培養(yǎng)力度。隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的高等院校開設(shè)了機器人相關(guān)理論課程。機器人應(yīng)用技術(shù)實踐性強，枯燥的理論教學(xué)難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習興趣。然而，機器人價格昂貴，導(dǎo)致學(xué)生的實操訓(xùn)練機會有限。仿真技術(shù)的興起，為解決這一問題開辟了新途徑[1-3]。目前，數(shù)字虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)[4]的應(yīng)用研究領(lǐng)域隨著其自身的快速發(fā)展而不斷成熟和擴大，通過該技術(shù)所構(gòu)建的人機友好的虛擬仿真環(huán)境已經(jīng)成為仿真領(lǐng)域中的前沿發(fā)展方向之一[5-7]。由于鍛造機器人集機電液于一體、成本高等特點，導(dǎo)致其實驗教學(xué)通常難以有效開展，因此，高效和高保真的數(shù)字虛擬仿真技術(shù)成為鍛造機器人實驗教學(xué)的重要支撐技術(shù)。

本文將新興的虛擬樣機仿真技術(shù)應(yīng)用于鍛造機器人實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，突破聯(lián)合仿真關(guān)鍵技術(shù)，將系統(tǒng)仿真與三維虛擬樣機建模結(jié)合起來實現(xiàn)機電液一體化，建立一個友好的鍛造機器人實驗平臺。學(xué)生可在數(shù)字虛擬仿真環(huán)境中直觀地對鍛造機器人虛擬原型進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、性能評價、制造和使用仿真等操作集成。本研究對啟迪設(shè)計創(chuàng)新、提高設(shè)計質(zhì)量、減少設(shè)計錯誤、縮短開發(fā)周期具有重要意義。

1 虛擬仿真平臺系統(tǒng)總體設(shè)計步驟

鍛造機器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自動化程度高，是一個要求各部分緊密關(guān)聯(lián)的多層次系統(tǒng)。利用總體集成技術(shù)、構(gòu)建包括虛擬樣機、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實與人機交互技術(shù)的鍛造機器人機電液一體化虛擬仿真平臺(見圖1)。

圖1 虛擬樣機技術(shù)的技術(shù)體系

采用多軟件協(xié)同仿真以滿足各子系統(tǒng)模塊之間信息交互與數(shù)據(jù)共享，在該系統(tǒng)的設(shè)計中，界面布局采用的自頂而下設(shè)計方法，先設(shè)計數(shù)字虛擬仿真平臺主界面，再分別設(shè)計各個子系統(tǒng)界面。相反，各個回調(diào)函數(shù)的編寫順序則采用自底而上的程序編寫方法，借助函數(shù)調(diào)用功能編寫各個回調(diào)函數(shù)，使得設(shè)計完成的靜態(tài)界面用于實驗操作，再達到仿真分析與計算的功能[8-9]。

2 夾持系統(tǒng)機電液一體化虛擬仿真平臺集成技術(shù)

2.1 夾持系統(tǒng)虛擬仿真平臺主界面的設(shè)計

鍛造機器人數(shù)字虛擬仿真平臺的主界面如圖2所示。該界面包括了鍛造機器人數(shù)字虛擬仿真平臺的歡迎界面、進入相應(yīng)子界面的按鈕、關(guān)閉按鈕和相關(guān)菜單等。平臺共包含了液壓、機械、控制、聯(lián)合仿真和性能分析5個模塊。

圖2 虛擬仿真平臺主界面

主界面的各個子界面又可分為若干子界面,分別調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)來實現(xiàn)與之對應(yīng)的仿真與分析功能。同時，為使主界面用戶友好、易于操作，設(shè)置了一些常用的實現(xiàn)各個子界面有機聯(lián)系的控件、菜單以及快捷鍵，相應(yīng)的動作會隨用戶單擊控件按鈕而完成。例如，當單擊鍛造機器人圖片時，會自動執(zhí)行命令并彈出鍛造機器人的夾持演示視頻。

2.2 液壓模塊界面

點擊鍛造機器人數(shù)字虛擬仿真平臺主界面中的液壓模塊按鈕，可以進入總液壓系統(tǒng)界面(見圖3)。該界面設(shè)置了夾持液壓驅(qū)動系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動系統(tǒng)以及插裝比例節(jié)流閥的仿真操作界面按鈕。

圖3 虛擬仿真平臺液壓模塊界面

由于驅(qū)動負載重載、大慣性的特點，本文所研究的夾持旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用兩個液壓馬達并聯(lián)驅(qū)動，詳細結(jié)構(gòu)參照文獻[10]。同時，為滿足避免鉗口液壓沖擊以及保持夾持恒力等要求，系統(tǒng)采用插裝式電液比例節(jié)流閥實現(xiàn)液壓回路調(diào)速，設(shè)計了夾持液壓驅(qū)動系統(tǒng)回路[11-12]，其操作界面如圖4所示。

圖4 虛擬仿真平臺液壓系統(tǒng)仿真計算界面

2.3 機械模塊界面

為方便夾持裝置的設(shè)計，機械模塊界面集成了鍛造機器人夾持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和所設(shè)計出的相關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 虛擬仿真平臺三維模型界面

2.4 控制模塊界面

如圖6所示，鍛造機器人虛擬仿真平臺的控制模塊操作界面分為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)控制和夾持系統(tǒng)控制兩部分。

圖6 虛擬仿真平臺夾持控制系統(tǒng)仿真界面

針對鍛造機器人夾持液壓驅(qū)動系統(tǒng)重載、強非線性和參數(shù)不確定性等多重特性，分別采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似內(nèi)?？刂品椒ǖ碾p液壓馬達驅(qū)動系統(tǒng)交叉耦合同步誤差補償控制[12]和基于反向遞推技術(shù)的多級反演自適應(yīng)控制。該界面利用回調(diào)函數(shù)功能實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)的計算和修改，提高了控制效率、可移植性、可讀性和可擴充性。

2.5 聯(lián)合仿真模塊界面

聯(lián)合仿真系統(tǒng)利用ADAMS軟件多體動力學(xué)仿真功能和MATLAB強大的計算功能，在ADAMS中建立多體系統(tǒng)并通過MATLAB構(gòu)建復(fù)雜的控制系統(tǒng)[13]進行數(shù)據(jù)實時交換，實現(xiàn)對鍛造機器人夾持裝置ADAMS模型(見圖7)的交互式聯(lián)合仿真，協(xié)調(diào)解決機械、液壓、控制系統(tǒng)等問題。在簡化建模過程的同時保證了鍛造機器人夾持裝置動力學(xué)模型的正確性，更能代替實際模型進行各種工況的仿真分析，有效地實現(xiàn)制造系統(tǒng)計算機集成，提高鍛造機器人的實驗教學(xué)提供平臺。

圖7 夾持裝置ADAMS模型

ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真的實現(xiàn)步驟如下：

(1) 建立虛擬模型。ADAMS軟件可以直接建立簡單模型，但對于復(fù)雜模型需要借助專業(yè)CAD軟件(如UG、SolidWorks、Pro/E等)建模。本文通過Pro/E建立鍛造操作機夾持裝置三維模型，然后將模型文件保存為Parasolid格式，生成“x_t”文件，導(dǎo)入到ADAMS/View中定義零部件材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等相應(yīng)屬性，添加約束及驅(qū)動，從而建立起鍛造機器人夾持裝置ADAMS虛擬模型(見圖7)。

(2) 定義ADAMS的輸入和輸出。圖8所示為ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真的接口結(jié)構(gòu)圖。利用ADAMS中的函數(shù)VARVAL，定義夾持裝置ADAMS模型的推桿力和支架上的旋轉(zhuǎn)力矩為輸入變量，推桿位移和旋轉(zhuǎn)角位移為輸出變量，通過ADAMS/Control模塊實現(xiàn)與MATLAB設(shè)計的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳遞，構(gòu)成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)夾持裝置推桿位置和旋轉(zhuǎn)角度的精確控制。其中，ADAMS的輸入相當于系統(tǒng)的控制輸出，ADAMS的輸出相當于控制系統(tǒng)的輸入和測試值，夾持系統(tǒng)非線性動力學(xué)模型則可從夾持裝置ADAMS虛擬模型導(dǎo)出得到。

圖8 ADAMS與MATLAB的接口

(3) 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建。利用MATLAB/Simulink工具箱中的S_Function建立Simulink模塊，描述推桿液壓缸驅(qū)動單元和夾持旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動單元的非線性動力學(xué)模型，并編寫推桿液壓驅(qū)動以及旋轉(zhuǎn)液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制器算法。與生成的ADAMS_sub模塊設(shè)置好參數(shù)后按如圖9所示連接起來形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。

圖9 ADAMS與MATLAB聯(lián)合仿真操作界面

(4) 聯(lián)合仿真系統(tǒng)實驗。聯(lián)合仿真界面與MATLAB/Simulink相聯(lián)，插裝比例節(jié)流閥、液壓馬達、液壓缸、控制器等參數(shù)可通過點擊聯(lián)合仿真界面中的相關(guān)按鈕分別進行設(shè)置。點擊MATLAB/Simulink的運行按鈕進行仿真分析。

2.6 性能分析模塊界面

性能分析界面給出了壓桿式、長杠桿式和短杠桿式等夾持裝置的結(jié)構(gòu)圖、受力分析圖、參數(shù)設(shè)置和力學(xué)平衡方程。如圖10所示為壓桿式夾持裝置界面及夾持力計算結(jié)果。

(a)

(b)

鍛造機器人夾持系統(tǒng)虛擬仿真平臺設(shè)計完成之后，應(yīng)用MATLAB自帶編譯器直接生成EXE可執(zhí)行文件，使用戶能脫離MATLAB環(huán)境運行人機交互界面評價軟件。鍛造機器人虛擬仿真平臺將操作機復(fù)雜的機電液系統(tǒng)集成于一體，可作為機器人實驗教學(xué)演示的工具，為機器人教育提供了一種新途徑和新方法[14-16]。

3 結(jié) 語

本文利用MATLAB GUI設(shè)計了鍛造機器人夾持系統(tǒng)虛擬仿真平臺，該平臺將MATLAB提供的GUI功能與Simulink構(gòu)造的開放式用戶界面相結(jié)合，建立了液壓模塊、機械模塊、控制模塊等。該平臺為ADAMS模型導(dǎo)入、MATLAB作業(yè)交互式提交和監(jiān)控以及MATLAB仿真結(jié)果評估提供了一個系統(tǒng)建模、仿真和實時控制一體化的計算機仿真界面，從而實現(xiàn)MATLAB/Simulink和ADAMS聯(lián)合仿真。通過應(yīng)用MATLAB自帶編譯器直接生成EXE可執(zhí)行文件，方便用戶脫離MATLAB環(huán)境運行人機交互界面評價軟件，具有操作簡單、擴充性好、仿真功能和交互能力強大等特點，極大地方便了機器人教育工作。

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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

TP 242

A

1006-7167(2017)11-0103-04

2017-02-20

華南理工大學(xué)校級教改項目(Y9160740);廣州市科技計劃項目(2015090330001)

楊麗新(1986-)，女，湖南常德人,碩士，實驗師，主要研究領(lǐng)域為：機器人動力學(xué)與智能控制實驗教學(xué)。

Tel.：13538894660;E-mail:melxyang@scut.edu.cn