國際雜志上 智能感知和智能化系統，第 2 卷，第 2， 2009 年 6 月 以控制為中心的模擬器的機電一體化設計 案例研究： Gyroscopically 穩定單輪機器人 朱震、 A. Al-Mamun and Myint Phone Nain 通訊作者： A.馬蒙 (.sg) 電子與計算機工程系 新加坡民族大學 新加坡 117576 抽象 為援助復雜機電系統的設計開發一個 3 維仿真平臺是本文件提出的。它使用部件由 e.g.,SolidWorks 三維繪圖軟件繪制的亞當斯（機械系統動力學自動分析 軟件）繪制這一機制的動態行為的動畫模擬。這個綜合仿真平臺集成了三維模擬器 ADAMS與 MATLAB軟件的控制程序仿真。這種集成使設計師可以采用以控制為中心的新穎設計復雜的機械結構，這種集成使設計師可以采用以控制為中心的方去設計在機電一體化系統中使用的復雜的機械結構。單輪機器人的動態分析作為本文的一個案例去說明他的用途。這個仿真環境可以被輕松地通過簡單的 alteringSolidWorks 圖紙擴展到任何復雜的機械系統。 關鍵詞 Gyrobot， 亞當斯，單輪機器人、 動態仿真 第一部分：導語 本文介紹了一個以控制為中心的用于機電一體化系統設計的方法。在這種方法下，控制器的設計不被作為一個獨立問題，而是與機制設計交織在一起的。這兩個設計是被同時提出的。在本文，我們通過放置一個機械系統的虛擬原型來概述這兩個共存的設計的方法，這個機械系統是根據閉環控制，去分析這個系統的動態行為并進行微調的機械設計。 仿真在任何復雜的機電系統設計中都很重要，因為這關乎著復雜的結構和操作。傳統上，大多數模擬是基于計算機的，還要求數學建模。這種模型用于描述系統動力學和尋找其動 態響應。這種模型還用于預測在一組給定參數和初始條件下的系統行為。 開發 3D 運動仿真的 ADAMS 與在控制界很流行的MATLAB/SIMULINK 軟件結合在一起來建造一個以控制為中心的設計平臺。這種運動模擬器使用了三個具有不同連接器參數的三維機械制圖合并成一個復雜的機電一體化系統。這樣就消除了需要導出復數和非線性系統的動態行為的數學模型。這種模擬器曾經被廣泛用于在開路控制和閉路控制中分析 GYROBOT的動態行為。 亞當斯 （自動動態分析的機械系統） 開始作為一般用途的項目去分析正在進行大的非線性位移而形成非線性 力和輸入的議案的系統。這種方法由尼古拉。奧爾蘭代亞開發。它可以被歸類為一個一般用途的數字代碼，利用統籌發展非最小集的運動方程。此運動仿真軟件分析復雜的行為辨識程序集，并因而使用戶能夠測試虛擬原型和優化設計就建立許多物理原型。它使用僵硬集成商來解決這些方程和稀疏矩陣代數來解決其最內層計算循環中的線性方程組。自成立以來，重大發展投資導致工業上復雜虛擬原型機制造工具的廣泛應用。在最近發表的文章上報道了設計和開發的仿人機器人虛擬樣機技術的使用。 ADAMS 允許用戶從 CAD 系統中導入幾何或生成一個實體模型的實現從 頭做起。我們采用了第一種方法：用 SOLIDWORKS 軟件制造 GYROBOT的不同部件。然后將這些部件轉移到 ADAMS來制定最終模型。 GYROBOT 是一個車輪狀的自主汽車，這種設計的動機被植根于正在運行的自行車和其優秀的機動能力的穩定。滾動輪有內在的持續直立的傾向。如果這種輪是傾斜的而不是落在一邊，那么他就會導向傾斜的那一邊。 GYROBOT 的特殊結構設計采用了轉動輪子的這些特征。綜合仿真平臺將簡化機電一體化系統的設計階段。而且呢，他還可以讓學生和研究者更深刻地理解任何復雜的機械。 ADAMS 和 MATLAB 的集成使得控制工程師完成設計周期而不生成任何原型。此外可以使用模擬結果也可以被用于對機械設計的微調。本文的結論包括： (i)用 ADAMS 軟件開環仿真的 GYROBOT(ii) 閉環系統的仿真。這一綜合的系統，可以用于任何機電一體化系統的控制中心的設計，只要通過簡單地替換 GYROBOT任何復雜系統的機械結構的 3D 繪圖。 第二節簡要地解釋 GYROBOT 的結構和原則。在第三節中提出的HYROBOT 的動態模擬說明了基本的操作原理。閉環模擬的結果刊載于第四部分。關鍵功能的開發系統和可能提高的領域在結語中突出顯示。 第二部分。 GYROBOT：機械結構和模型 GYROBOT 設計的動機源于動態自行車出色的轉向能力和動態穩定性。自主汽車及其轉向能力的特殊結構的穩定性可以使用動態的滾動輪作為示例來解釋說明。滾動輪子的角動量防止了它掉落在一側。如果輪子被向一側傾斜，而不至于落到那一側去的現象是由于稱為陀螺儀的精度。使 gyrobot傾斜的驅動來自于掀動重飛輪高速旋轉的反應。飛輪被設置在 GYROBOT 的內殼里，并且被懸掛于 gyrobot 所使用的兩軸萬向節的軸上。飛輪大的角動量添加到動態穩定性，并提供對態度擾亂的不敏感性。因此，即使固定式 gyrobot 可以直立。這種特殊結構在很多方面比起常規多輪式自主車輛有著優勢。由于電子零件時閉路的， gyrobot 是特別適合潮濕地區的。 其操作原理如示意圖 1的解釋： 飛輪被懸浮在使用傾斜旋轉飛輪萬向節的 gyrobot 的軌上。飛輪附加到內部萬向節和紡成旋轉電機。被附加到外萬向支架的這個傾斜電機可以使內部萬向節傾斜并使飛輪快速旋轉向任一側。通過這一平臺的 GYROBOT的軌和這一平臺懸掛著萬向節和飛輪結構。 Gyrobot 的外殼是硬性加入到軌的。運行著的電動機使輪子 轉動 ；輪子的轉速可以通過控制驅動電機的轉速控制。有興趣的讀者可參考 4-6 和許多其他引用中關于穩定單輪機器人的操作的詳細信息。 Gyrobot 的模型圖在 SolidWorks 和實際的硬件中繪制的圖如 2 所示。圖示組件與實際每一組件同等大小和形狀。為了減少 ADAMS模型圖的復雜性，只有機械部件包括在 SolidWorks 繪圖 ；這些都是 theouter 輪、 內部萬向節、 外萬向節、 飛輪用其支撐結構。這個結構是 gyrobot 的足以反映出，稍后將被審查的物理屬性。質量、密度和摩擦。亞 當斯 /視圖中定義。 (a) Solidworks 繪圖的 gyrobot (b) 內部機械圖硬件 2： 外部視圖和內部機制的 gyrobot 。 第三部分： 在亞當斯動力學仿真 在本節中，我們給出仿真結果來說明的 gyrobot基本操作。這些開環模擬使用亞當斯只 開始 進行 。 亞當斯 A. gyrobot模型 通過引入 3D圖紙在 SolidWorks創建了 gyrobot亞當斯模型 parasolids 文件。材料，質量，密度和摩擦進行定義。質量和慣性 自動計算。表一列出的機器人組件主要的動態特性 提出了亞當斯模型。 gyrobot 模型在亞當斯環境需要幾個方面考慮，如重力，接觸 約束，摩擦，慣性和參考標記，使良好的逼近 真正的機器人的行為。該機構各關節的運動是與一個特定的定義。比如說呢。 驅動關節被指定為一個轉動關節，本聯合相關旋轉指定 車輪的滾動運動 。 B.仿真設置 適當的動態仿真的需要之間的接觸特性的近似地 和輪輞。實際gyrobot RIM 鋁箔包裹，是在一個水平測試 表面覆蓋的鋁板。摩擦系數是 0.95，靜態條件選擇 。 和 0.8的動態條件下，在協議與 之匹配 。 亞當斯 /求解器做所有的計算 所需要的模擬運動。它允許不同類型對于一個特定的問題積分器。在每個積分的詳細解釋，可以發現在 亞當斯 /求解器文件 積分設置， gstiff 是大多數機械系統推薦的積分器 。 我們使用默認的積分器，制定和修正。可以使用其他的積分設置，基于 模擬式（其他比 gyrobot模型）清楚理解積分器設定 在亞當斯 /求解器文件 。 有指定的模擬頻率，內部頻率和步長。模擬頻率 更新圖形顯示的頻率，而內部的頻率是密切相關的 正在研究的系統。它代表了在該組件的狀態被改變的速度。內部頻率 在仿真環境和其他求解器的設置非常重要的參數必須設置依據 與內部頻率 。 飛輪是整個結構中移動最快的對象。如果飛輪頻率為 Y程度 每秒（基于其速度計算）和所需的運動中的每一步的飛輪 集成度 步驟，然后優化步長（揚程 ） 。 C.開環仿真結果 動量守恒定律和陀螺進動控制的 gyrobot操作。 的快速旋轉的角動量大，重型飛輪 克服外部 如傾動力矩引起的重力擾動。根據角動量守恒， 高自旋車輪速度，更長的 機器人應該能夠自己站起來 。 我們驗證了飛輪轉速對平衡輪通過模擬運動的影響 不同的飛輪轉速的同時保持外部力量，如重力不變。模擬 七種不同的飛輪轉速 1000轉和 7000 轉之間進行，最高速 飛輪的。每個飛輪轉速，仿真是兩個條件 做（一）保持 gyrobot固定和（ b）使它滾動的速度在每分鐘 30轉。結果總結在表 II。這顯然是 顯然，時間隨飛輪轉速的增加而下降gyrobot， 與角動量守恒。當車輪，其角動量 增加了飛輪的角動量平衡的努力幫助。它是觀察到的 相同的轉速，過了秋天 gyrobot卷時間較長時。 傾斜試驗期間， gyrobot假設是站在平坦表面與飛輪旋轉 300轉速。第二，飛輪是傾斜 0230.5秒造成平均傾斜速度 46 s。本仿真結果示于圖 3。該圖顯示，而飛輪 23傾斜，整個 gyrobot 傾斜 57。這符合仿真和實驗 結果發表在 8 - 9 。學習的速度和 gyrobot進動率也繪制在 相同的圖。測試是通過傾斜的飛輪從 0到 0.5秒。 結果再次重復 7圖 4所示是 在陀螺進動的概念整合 。 第四部分： 仿真與閉環控制 本設計環境發展的動機是由需要控制為中心的方法 機電一體化設計。將模擬能力，在閉環控制是必不可少的。 在本節中，我們 提出了閉環控制的仿真結果 。 A.亞當斯控制器的實現 作為第一步， gyrobot 放置的閉環控制下的控制器實現的亞當斯。我們的最終目標是亞當斯與 MATLAB之間的接口。這樣的接口將保證每個軟件的使用它的任務是適當的 亞當斯的三維動態仿真 設計的控制器的機械結構和 MATLAB仿真。 仿真結果與 PD（比例加微分）控制器中實現亞當 下圖所示。用于這 些模擬控制器報告 6 較早，而設計 使用的 gyrobot線性模型，通過線性化的系統動力學在其垂直位置獲得。 因此控制器 可能無法正常工作的傾斜角度大時。用于此控制法 模擬了下，在 =（ - 90）是從垂直位置的傾斜角的變化中 例如， = 90。 B 中 MATLAB SIMULINK實現控制器 亞當斯是用于動態三維仿真，它的能力非常有限，為了實現 控制器。我們創造了亞當斯和 Matlab / Simulink之間的界面， 控制器可以實現使用 Simulink。 閉環響應控制器實現在 Simulink。這些 結果是那些在亞當斯獲得相同的控制器實現。亞當斯與整合 讓我們利用 MATLAB的更好的方面。現在我們不再被限制 亞當斯在實現控制器和我們可以嘗試更復雜的控制器 結構包括模糊邏輯控制，滑模控制等。 第五部分：結語 gyrobot 在 ADAMS 環境中的動態仿真模擬已被成功開發。少量的實驗驗證了 gyrobot的操作，也就是說角動量和陀螺游行的運作原則有了法律保護。測試結果顯示虛擬原型的行為是根據兩項原則，因此，在亞當斯的虛擬 gyrobotcreated 表示實際的機械系統。控制器 也被實施以加強建設這種虛擬機器人的理由。這個虛擬原型現在可以用于各種調查，否則耗時或耗費財力。使用的內部控制模板提供由亞當斯設計和實施閉環操作限制此虛擬系統的靈活性作為一個有效的工具。所以我們集成 ADAMS 和 MATLAB /SIMULINK 要利用它的力量。 引用： 1 N.奧爾蘭代亞、 發展和應用面向稀疏度的節點類似方法 forsimulation 的機械動力系統、 博士論文，密歇根大學，安阿伯 MI、 美國， 1973 2