基于ADAMS与EASY5的液压机械臂联合仿真

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

第 28卷 第 3期2013年 09月西 南 科 技 大 学 学 报Journal of Southwest University of Science and TechnologyVo1．28 No．3Sep．2013基于 ADAMS与 EASY5的液压机械臂联合仿真皮 明 杨 涛 董 云(西南科技大学信息工程学院特殊环境机器人技术四川省重点实验室 ~tJII绵 621000)摘要：液压机械臂是一个多输入多输出、强耦合的复杂机电液系统，其控制系统的性能和机械系统密不可分。采用联合仿真的方法可实现各仿真工具之间的集成和数据交换，形成机械臂的一体化数字模型。围绕某特殊环境下液压机械臂系统进行机电液耦合联合仿真，在建模软件Solidworks中建立机械臂结构模型，然后将模型导入动力学仿真软件ADAMS中建立液压机械臂的虚拟样机，随后在多学科动态系统仿真软件EASY5中建立液压机械臂的液压控制系统模型，并向ADAMS实时输入液压活塞杆的驱动力，而ADAMS则向EASY5实时输出液压缸的位移、速度。通过对机械臂各液压缸运动位移进行控制，实现了机械臂运动轨迹的控制仿真。仿真结果表明，机械臂模型与液压系统模型之间实现了无缝连接，验证了联合仿真方法的有效性和实用性，可为机械臂设计和控制提供参考。

关键词 ：液压机械臂 ADAMS EASY5 联合仿真中图分类号：TP271．31；TH137．3 文献标志码：A 文章编号：1671—8755(2013)03—0057—04Co-simulation of Hydraulic M anipulator Based on ADAMS and EASY5PI Ming，YANG Tao，DONG Yun(Sichuan Provincial Key Laboratory for Special Work Robot Technology，School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，Sichuan，China)Abstract：As a multi—input and output system，the hydraulic manipulator requires a strong coupling a—mong its mechanic，electric and hydraulic paas．The integration and data switching of different simula-tion tools was achieved through the method of CO—simulation，and the unifed digital model was formedaccordingly．A three—dimensional model of the hydraulic manipulator was created by modeling softwareSolidworks and then was imposed into the dynamic simulation software ADAMS to obtain a virtual proto—type of the hydraulic manipulator．And then，the hydraulic controlling model of the manipulator wasbuilt with EASY5．The driving force of the hydraulic piston rod was input to ADAMS，and the positionand velocity was input to EASY5 from ADAMS in turn．The whole simulation of the manipulator’S traj—ectory control was finally achieved by regulating the motion of hydraulic cylinders．The result of a sealTl-less connection between the prototype model and the hydraulic model has verifed that the method of co—simulation is effective and practical and shall provide reference for the design and control of the manipu—lator.

Key words：Hydraulic manipulator；ADAMS；EASY5；Co—simulation液压机械臂的设计涉及机电液多学科，传统的液压机械臂的设计方法在分别建模时没有将机械臂结构部分与液压系统之间的耦合与关联考虑在内，液压系统模型没有反映机械臂姿态和负载变化的影收稿 日期：2013—04—16基金项目：国防科工局核能开发科研项目(20111137)和四川省科技厅应用基础研究项目(2012JYZ003)资助。

作者简介：皮明(1987一)，硕士研究生，研究方向为机器人控制系统仿真。通讯作者：杨涛(1972一)，博士，教授，研究方向为机电系统仿真、优化与控制。E—mail：yangtao###swust．edu．el。

第 3期 皮 明，等 ：基于ADAMS与 EASY5的液压机械臂联合仿真 59( )： (4)n p故以 Q。为输人量， 。为输出量时，缸在空载和稳态下的传递函数为：)= 1 (5)伺服放大器和检测环节可看成是比例环节，即：f，(s)=K( (s)一 (s)) (6)L (s)= (s)式中：K 一伺服放大器的增益，A／V； 一位置检测环节的增益，V／m。可得空载和稳态情况下开环传递函数为：( )： ：一Kvx (7)uQ式中，电液位置控制系统的开环 Kvx=KiKs ／A 。

从上式可见 ，在以流量为输入、以位移为输出时，液压缸具有积分特性。液压伺服控制系统开环传递函数具有一个积分环节，因此液压控制系统具有一阶无差性，即在阶跃输入下，系统不存在稳态误差。机械臂控制常采用 PI控制，其控制律非常简单，并且易于实现，且允许受控对象的建模存在较大误差。轨迹规划器根据机械臂末端执行器的运动轨迹，结合运动学逆解算法 J，得到各个机械臂的关节转角，然后按照关节转角与液压缸活塞的长度关系，求出液压活塞杆的位移，通过 PI控制算法控制比例阀使液压缸的动作按照指定的规律运动。

3 数据交换接口设置ADAMS的 Controls模块提供了与 EASY5进行通信的标准接口 。J，其作用是实现虚拟样机模型和液压系统模型之间的数据的动态传递。

如图3所示，在 EASY5中液压缸组件(AX)有两种工作模式 E 8]：(1)缸体固定，输入为施加在活塞杆上的液压力，输出为活塞杆的速度和位移；(2)缸体固定，输人为活塞杆的速度和位移，输出为作用在活塞杆上的液压力。

在联合仿真时采用第二种工作模式，即活塞杆相对于缸体的速度和位移由ADAMS动力学模型计算得出，并输出给 EASY5液压系统模型。液压系统模型根据输入的速度和位移计算出液压缸油腔压力，同时，根据液压缸油腔压力变化及由液压缸活塞运行速度引起的阻尼力，计算出作用在活塞上的液压力，ADAMS液压机械臂虚拟样机模型则以此液压力作为输入信号进行动力学计算。

在联合仿真过程中，ADAMS模型需要从 EAS—Y5模型中获取液压缸活塞受到的液压力，并且将活塞杆相对于缸体的速度和位移输出给 EASY5模型，因此需要在 ADAMS模型中创建并设置相应的输入输出变量，输入量为各液压缸应产生的驱动力，输出量为各液压缸活塞的位移量和速度量。

WTFWTF— 一 盖懿v．从Piston
弹
SP
’． ．一 FC嘲uired)+一 AX．AVForee(auxiliary)——_．AX．AVFC图 3 EASY5中 2种柱塞缸组件Fig．3 Two modules of cylinder in EASY5设置好输入、输 出变量后，通过 ADAMS／Con—trols模块输出，再在 EASY5中通过 Extensions接 口模块导入，从而实现2个模型之间的动态数据传递。

EASY5通过 4个液压缸受力变量向ADAMS实时输入伺服液压活塞杆的驱动力，而 ADAMS则通过其它8个变量向 EASY5实时输出液压活塞杆的位移和速度 。

EASY5通过 Extensions库 中的组件 ADAMS-Mechanism与 ADAMS进行数据传递，双击 MSCAD—AMS Mechanism组件，打开组件对话框，点击 Select／Configure ADAMS Model，出现设置面板，点击由AD—AMS生 成 的 模 型，选 择 Function Evaluation(nofeedthrough)作为联合仿真方式，点击 Done，此时ADAMS Mechanism组件包含了和ADAMS软件联合所需要的全部信息。然后点击 EASY5软件 Build／Export Model as／ADAMS External System Library，在出现的对话框 中对 Use Design Parameters和 UseDisplayOutput的参数进行设置，这样设置是为了方便在 ADAMS软件中对液压系统的关键参数进行修改，并在仿真结束后显示液压系统运行结果。点击Export后生成lyd．dl和lyd．xfe．ezanl两个文件，其中lyd．dl文件就是 ADAMS软件所需要的动态链接库。需要注意的是，只有两个文件在同一个文件夹内时，联合仿真才能正常运行。

80 西 南 科 技 大 学 学 报 第 28卷12(3)：36—56 与服务体系研究[J]．现代图书情报技术，2008(7)：[4] BORST W N．Construction of Engineering Ontologies for 23—27.

Knowledge Sharing and Reuse．PhD thesis[D]．Univer一 [9] 杨倩，冯志勇，饶国政，等．物流领域本体的模块化研sity of Twente，Enschede，1997． 究与 实 现 [J]．天 津 大 学 学 报，2009，42(12)：[5] GRAU B C．Combination and Integration of Ontologies Oll 1 105—1 1 1 1.

then Semantic Web[D]．PhD thesis，Dpto．de lnformati一 [1O] 刘洪军．语义Web服务中本体的模块化研究[D]．大ca，Universitat de Valencia，Spain，2005． 连 ：大连海事大学，2008.

[6] 张维一，陆汝占．本体模块化的研究与实现[J]．计算 [11] 严蔚敏，吴伟民．数据结构(C语言版)[M]．北京：清机应用研究，2007，24(11)：206—209． 华大学出版社，2003．167—176.

[7] 林松涛．模块化本体建设研究[D]．北京：北京邮电大 [12] 陈小平．语义网基础教程[M]．北京：机械工业出版学，2006． 社 ，2008．47—86.

[8] 冯兰萍，朱礼军，张继国．基于模块化本体的知识组织， ' l ’ ， ， ' ' l ' ' l ， ' ， ' ’ ' ， ’ ， ， 1 ) l ' l ， ， ， l l ' l l ’ l m l l l m I l l l l l l l l l I m l m I l l m l m l l 1 ． 1 l ' m l m l m (上接第60页)参考文献[1] 苗明，王智慧，高顺德，等．轮式拖拉机悬挂系统机电液联合仿真[J]．中国工程机械学报，2012，100(3)：286—290.

[2] 朱小晶，权龙，王新中，等．大型液压挖掘机工作特性联合仿真研究 [J]．农业机械学报，2011，42(4)：27—32.

[3] 夏学文，李峰，郭小刚，等．基于 Solidworks的机械手三维建模及其运动仿真[J]．煤矿机械，2010，31(27)：215—218.

[4] 郭欣．被动机器人简化模型 RAMLESS—WHEEL的ADAMS仿真分析[A]．见：第十届中国科协年会论文集(一)[C]．中国科学技术协会 、河南省人 民政府 ，2008.

林明，王冠 ，林永才．改进的遗传算法在机器人逆解中的应用[J]．江苏科技大学学报：自然科学版，2012，26(4)：370—375.

生龙波，马吉胜，孙河洋，等．基于 ADAMS与 EASY5的某履带车辆制动系统的联合仿真[J]．机械制造，2012，50(6)：28—30.

张毅敏．基于 ADAMS与 EASY5的联合仿真方法初探[J]．水雷战与舰船防护，2010，18(2)：47—50.

The MSCEASY5 Reference Manual『Z]．The MSC Soft—ware Corporation，2005.

侯志辉，童明波，杨波．基于 EASY5的某型飞机武器舱门收放过程仿真[J]．机床与液压，2010，38(21)：l1】一113.

1J ]J ]j 5 6 7 8 9