1、一. ADAMS軟件簡介虛擬樣機仿真分析軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是對機械系統的運動學與動力學進行仿真的商用軟件，由美國MDI（Mechnical Dynamics Inc.）開發，在經歷了12個版本后，被美國MSC公司收購。ADAMS集建模、計算和后處理于一體，ADAMS有許多個模塊組成，基本模塊是View模塊和Postprocess模塊，通常的機械系統都可以用這兩個模塊來完成，另外在ADAMS中還針對專業領域而單獨開發的一些專用模塊和嵌入模塊，例如專業模塊包括汽車模塊ADAMS/Car、發動機模塊ADA

2、MS/Engine、火車模塊ADAMS/Rail、飛機模塊ADAMS/Aircraft等；嵌入模塊如振動模塊ADAMS/Vibration、耐久性模塊ADAMS/Durability、液壓模塊ADAMS/Hydraulic、控制模塊ADAMS/Control和柔性體模塊ADAMS/AutoFlex等3。1.1 ADAMS軟件概述ADAMS是以計算多體系統動力學（Computational Dynamics of Multibody Systems）為基礎，包含多個專業模塊和專業領域的虛擬樣機開發系統軟件，利用它可以建立復雜機械系統的運動學和動力學模型，其模型可以是剛體的，也可以是柔性體，以及剛

3、柔混合體模型。如果在產品的概念設計階段就采取ADAMS進行輔助分析，就可以在建造真實的物理樣機之前，對產品進行各種性能測試，達到縮短開發周期、降低開發成本的目的。ADAMS，即機械系統動力學自動分析（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）該軟件是美國MDI公司（Mechnical Dynamics Inc.）開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS已經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。根據1999年機械系統動態分析軟件國際市場份額的統計資料，ADAMS軟件銷售總額近八千萬美元、占據了51%的份額。ADAMS軟件使用交互式圖形環境

4、和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另一方面，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。ADAMS軟件有兩種操作系統的版本：

5、UNIX版和Windows NT/2000版。1.2 用戶界面模塊（ADAMS/View）ADAMS/View是ADAMS系列產品的核心模塊之一，采用以用戶為中心的交互式圖形環境，將圖標操作，菜單操作，鼠標點擊操作與交互式圖形建模，仿真計算，動畫顯示，優化設計，X-Y曲線圖處理，結果分析和數據打印等功能集成在一起。ADAMS/View采用簡單的分層方式完成建模工作。采用Parasolid內核進行實體建模，并提供了豐富的零件幾何圖形庫，約束庫和力/力矩庫，并且支持布爾運算，支持FORTRAN/77和FORTRAN/90中的函數。除此之外，還提供了豐富的位移函數，速度函數，加速度函數，接觸函數，樣

6、條函數，力/力矩函數，合力/力矩函數，數據元函數，若干用戶子程序函數以及常量和變量等3。自9.0版后，ADAMS/View采用用戶熟悉的Motif界面（UNIX系統）和Windows界面（NT系統），從而大大提高了快速建模能力。在ADAMS/View中，用戶利用TABLE EDITOR，可像用EXCEL一樣方便地編輯模型數據，同時還提供了PLOT BROWSER和FUNCTION BUILDER工具包。DS（設計研究），DOE（實驗設計）及OPTIMIZE（優化）功能可使用戶方便地進行優化工作。ADAMS/View有自己的高級編程語言，支持命令行輸入命令和C+語言，有豐富的宏命令以及快捷方便的

7、圖標，菜單和對話框創建和修改工具包，而且具有在線幫助功能。ADAMS/View模塊界面如圖1.1所示。圖1.1 ADAMS/View界面ADAMS/View新版采用了改進的動畫/曲線圖窗口，能夠在同一窗口內可以同步顯示模型的動畫和曲線圖；具有豐富的二維碰撞副，用戶可以對具有摩擦的點-曲線，圓-曲線，平面-曲線，以及曲線-曲線，實體-實體等碰撞副自動定義接觸力；具有實用的Parasolid輸入/輸出功能，可以輸入CAD中生成的Parasolid文件，也可以把單個構件，或整個模型，或在某一指定的仿真時刻的模型輸出到一個Parasolid文件中；具有新型數據庫圖形顯示功能，能夠在同一圖形窗口內顯示模

8、型的拓撲結構，選擇某一構件或約束（運動副或力）后顯示與此項相關的全部數據；具有快速繪圖功能，繪圖速度是原版本的20倍以上；采用合理的數據庫導向器，可以在一次作業中利用一個名稱過濾器修改同一名稱中多個對象的屬性，便于修改某一個數據庫對象的名稱及其說明內容；具有精確的幾何定位功能，可以在創建模型的過程中輸入對象的坐標，精確地控制對象的位置；多種平臺上采用統一的用戶界面，提供合理的軟件文檔；支持Windows NT平臺的快速圖形加速卡，確保ADAMS/View的用戶可以利用高性能OpenGL圖形卡來提高軟件的性能；命令行可以自動記錄各種操作命令，進行自動檢查。1.3 求解器模塊 （ADAMS/Sol

9、ver）ADAMS/Solver是ADAMS系列產品的核心模塊之一，是ADAMS產品系列中處于心臟地位的仿真器。該軟件自動形成機械系統模型的動力學方程，提供靜力學，運動學和動力學的解算結果。ADAMS/Solver有各種建模和求解選項，以便精確有效地解決各種工程應用問題。ADAMS/Solver可以對剛體和彈性體進行仿真研究。為了進行有限元分析和控制系統研究，用戶除要求軟件輸出位移，速度，加速度和力外，還可要求模塊輸出用戶自己定義的數據。用戶可以通過運動副，運動激勵，高副接觸，用戶定義的子程序等添加不同的約束。用戶同時可求解運動副之間的作用力和反作用力，或施加單點外力。ADAMS/Solver

10、新版中對校正功能進行了改進，使得積分器能夠根據模型的復雜程度自動調整參數，仿真計算速度提高了30%；采用新的S12型積分器（Stabilized Index 2 intergrator），能夠同時求解運動方程組的位移和速度，顯著增強積分器的魯棒性，提高復雜系統的解算速度；采用適用于柔性單元（梁，襯套，力場，彈簧-阻尼器）的新算法，可提高S12型積分器的求解精度和魯棒性；可以將樣條數據存儲成獨立文件使之管理更加方便，并且spline語句適用于各種樣條數據文件，樣條數據文件子程序還支持用戶定義的數據格式；具有豐富的約束摩擦特性功能，在Translational， Revolute， Hooks，

11、Cylindrical， Spherical， Universal等約束中可定義各種摩擦特性。1.4 后處理模塊（ADAMS/PostProcessor）MDI公司開發的后處理模塊ADAMS/Postprocessor，用來處理仿真結果數據，顯示仿真動畫等。既可以在ADAMS/View環境中運行，也可脫離該環境獨立運行。后處理的操作界面如圖1.2所示。ADAMS/PostProcessor的主要特點是:采用快速高質量的動畫顯示，便于從可視化角度深入理解設計方案的有效性；使用樹狀搜索結構，層次清晰，并可快速檢索對象；具有豐富的數據作圖，數據處理及文件輸出功能；具有靈活多變的窗口風格，支持多窗口畫

12、面分割顯示及多頁面存儲；多視窗動畫與曲線結果同步顯示，并可錄制成電影文件；具有完備的曲線數據統計功能:如均值，均方根，極值，斜率等；具有豐富的數據處理功能，能夠進行曲線的代數運算反向，偏置，縮放，圖1.2 ADAMS/PostProcessor界面編輯和生成Bode圖等；為光滑消隱的柔體動畫提供了更優的內存管理模式；強化了曲線編輯工具欄功能；能支持模態形狀動畫，模態形狀動畫可記錄的標準圖形文件格式有:*.gif，*.jpg，*.bmp，*.xpm，*.avi 等；在日期，分析名稱，頁數等方面增加了圖表動畫功能；可進行幾何屬性的細節的動態演示。ADAMS/PostProcessor的主要功能是為

13、觀察模型的運動提供了所需的環境，用戶可以向前，向后播放動畫，隨時中斷播放動畫，而且可以選擇最佳觀察視角，從而使用戶更容易地完成模型排錯任務；為了驗證ADAMS仿真分析結果數據的有效性，可以輸入測試數據，并測試數據與仿真結果數據進行繪圖比較，還可對數據結果進行數學運算，對輸出進行統計分析；用戶可以對多個模擬結果進行圖解比較，選擇合理的設計方案；可以幫助用戶再現ADAMS中的仿真分析結果數據，以提高設計報告的質量；可以改變圖表的形式，也可以添加標題和注釋；可以載入實體動畫，從而加強仿真分析結果數據的表達效果；還可以實現在播放三維動畫的同時，顯示曲線的數據位置，從而可以觀察運動與參數變化的對應關系。

14、1.5 控制模塊（ADAMS/Controls）ADAMS/Controls是ADAMS軟件包中的一個集成可選模塊。在ADAMS/Controls中，設計師既可以通過簡單的繼電器，邏輯與非門，阻尼線圈等建立簡單的控制機構，也可利用通用控制系統軟件（如MATLAB，MATRIX，EASY5）建立的控制系統框圖，建立包括控制系統，液壓系統，氣動系統和運動機械系統的仿真模型。在仿真計算過程中，ADAMS采取兩種工作方式:其一，機械系統采用ADAMS解算器，控制系統采用控制軟件解算器，二者之間通過狀態方程進行聯系；其二，利用控制軟件書寫描述控制系統的控制框圖，然后將控制框圖提交給ADAMS，應用ADA

15、MS解算器進行包括控制系統在內的復雜機械系統虛擬樣機的同步仿真計算。這樣的機械-控制系統的聯合仿真分析過程可以用于許多領域，例如汽車自動防抱死系統（ABS），主動懸架，飛機起落架助動器，衛星姿態控制等。聯合仿真計算可以是線性的，也可以是非線性的。使用ADAMS/Controls的前提是需要ADAMS與控制系統軟件同時安裝在相同的工作平臺上。二. 典型機器人虛擬實驗2.1 串聯機器人在ADAMS中用連桿模擬機械臂，對兩自由度的機械臂分別進行運動學分析、動力學分析及機械臂的軌跡規劃。2.1.1 運動學分析下面是建立模型并對模型進行設置分析的詳細過程。（1） 啟動ADAMS/View，在歡迎對話框中

16、選擇新建模型，模型取名為Robot_arm，并將單位設置為MMKS，然后單擊OK。（2） 打開坐標系窗口。按下F4鍵，或者單擊菜單【View】【Coordinate Window】后，打開坐標系窗口。當鼠標在圖形區移動時，在坐標窗口中顯示了當前鼠標所在位置的坐標值。（3） 創建機械臂關節1（連桿）。單擊連桿按鈕，勾選連桿的長、寬、深選項，分別將其設置為300mm、40mm、10mm，如圖2.1所示。在圖形區單擊鼠標左鍵，然后將連桿拖至水平位置時，在單擊鼠標左鍵。（4） 在連桿的右端打孔。在幾何建模工具欄單擊打孔按鈕，將半徑Radius設置為10mm，深度設置為10mm，如圖2.2所示。然后在圖

17、形區模型附近單擊鼠標左鍵，在與XY平面垂直的表面上單擊鼠標左鍵。然后修改孔的位置，在孔附近單擊鼠標右鍵，選擇【HOLE_1】【Modify】，在彈出的對話框中，將Center的坐標值設置成（300，0.0，5.0），如圖2.3所示。（5） 用（3）的方法在關節1右端孔中心處創建關節2，如圖2.4所示。然后再將關節2向內側平移10mm。 2.2 孔設置2.1 創建連桿設置 2.3 修改孔位置對話框2.4 關節模型（6）添加約束。在關節1的左端與大地之間添加轉動副，在關節1與關節2結合處添加轉動副。單擊工具欄中的旋轉副按鈕，并將創建旋轉副的選項設置為2Bod-1Loc和Normal Grid，然后

18、在圖形區單擊關節1和大地，之后需要選擇一個作用點，將鼠標移動到關節1的Marker1處出現center信息時，按下鼠標左鍵后就可以創建旋轉副，旋轉副的軸垂直于工作柵格。然后用同樣的方法創建關節1與關節2之間的旋轉副，如圖2.5所示。2.5創建旋轉副（7）添加驅動。在運動副1（Joint1）和運動副2（Joint2）上分別添加旋轉驅動。單擊主工具欄的旋轉驅動按鈕，然后在選擇上面創建的旋轉副1，然后在圖形區單擊鼠標右鍵，在快捷菜單中中選擇Modify，在編輯對話框中將驅動函數設置為40d*sin(time)，如圖2.6所示。用同樣的方法在旋轉副2上創建旋轉驅動，并將驅動函數設置為15d*time*

19、(-1)。2.6 旋轉驅動設置（8）運行仿真計算。單擊主工具欄的仿真計算按鈕，將仿真類型設置為Kinematic，仿真時間End Time設置為25，仿真步數Steps設置為500，然后單擊運行按鈕進行仿真計算。（9）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.7所示。2.7 末端運動軌跡（10）結果后處理。按下鍵盤上的F8鍵，界面將從View模塊直接進入到PostProcess模塊，后處理模

20、塊界面如圖2.8所示。2.8 后處理模塊界面在后處理模塊，通過菜單【View】【Load Animation】可以載入動畫。在仿真動畫中可以播放兩種動畫，一種是在時間域內進行的運動學和動力學仿真計算動畫；另一種是在頻率域內的，播放通過現行化或者在震動模塊中的計算模型的振型動畫。單擊播放按鈕后開始播放動畫，如果在播放同時按下記錄按鈕，在播放動畫的同時也將動畫保存到動畫文件中，動畫文件位于ADAMS的工作目錄下。在后處理模塊中，通過菜單【View】【Load Plot】，通過選擇相應的選項，繪制出相應的結果曲線。如果2.9、2.10所示，分別繪制出機械臂末端點的速度曲線和加速度曲線。2.9 機械臂

21、末端速度曲線2.10 機械臂末端加速度曲線2.1.2 動力學分析（1）（2） 添加驅動。與運動分析不同，動力學分析添加的驅動為單分量力矩。單擊工具欄上的單分量力矩選項，將選項設置為Space Fixed、Normal to Grid和Constant，然后勾選Torque項并輸入4000，然后在圖形區單擊關節1，再在其上單擊任何一點。用同樣的方法添加關節2的驅動，并將其值設置為-100，如圖2.11所示。2.11 添加單分量力矩（3）運動學計算仿真。單擊菜單【Simulate】【Iteractive Controls】，打開交互式仿真控制對話框，在對話框中將仿真時間End Time設置為2，仿

22、真步數Steps設置為500，仿真類型Type設置為Dynamic，單擊仿真計算按鈕，觀看仿真動畫，模型將在重力和驅動力矩作用下運動。（4）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.12所示。2.12 機械臂末端運動軌跡（5）結果后處理。在后處理模塊，通過菜單【View】【Load Animation】可以載入動畫。單擊播放按鈕后開始播放動畫，在播放同時按下記錄按鈕，將動畫保存到動畫文件中。

23、在后處理模塊中，通過菜單【View】【Load Plot】，通過選擇相應的選項，繪制出相應的結果曲線。如果2.13、2.14所示，分別繪制出機械臂末端點的速度曲線和加速度曲線。2.13 機械臂末端速度曲線2.14 機械臂末端加速度曲線2.1.3 軌跡規劃本例將建立在ADAMS/View中用Contros Toolkits建立控制系統，通過PID環節進行控制，控制對象是作用在每個關節單分量力矩，使機械臂的末端運動軌跡為圓。因為關節1的一端與大地（Ground）原點鉸接，因此將圓的方程設為（x-550）2+y2=502，用參數形式表示就是x=550+50*cos（t），y=50*sin（t），要使

24、關節2的末端運動軌跡按指定的軌跡運動，這時需要通過軌跡方程計算出兩個關節的關節變量，然后將這兩個關節變量作為控制系統模型的關節輸入。用MATLAB編程，計算兩關節變量，用到的函數是求解非線性方程組的函數fsolve，設1 ，2分別為關節1和關節2的角位移，1，2為兩關節的長度，非線性方程組為，MATLAB程序計算代碼如下：global x1 y1 %命令文件t=0: pi/200:2*pi；x=550+50*cos（t）；y=50*sin（t）；temp=0，0'；for n=1:401 x1=x（n）； y1=y（n）；Q=fsolve（'myfunfun'，temp

25、，optimset（'Display'，'off'）；temp=Q；q1（n）=Q（1）；q2（n）=Q（2）；endfunction q=myfunfun（p） %調用的函數文件global x1 y1qq1=p（1）；qq2=p（2）；q（1）=300*cos（qq1）+300*cos（qq1+qq2）-x1；q（2）=300*sin（qq1）+300*sin（qq1+qq2）-y1；計算完成后，矩陣q1里面保存的是關節1的角位移，矩陣q2里面保存的是關節2的角位移，然后再將這兩個關節變量以SPLINE的形式輸入到ADAMS中，作為模型的關節輸入。建立控制系

26、統具體步驟如下：（1） 建立機械臂的模型，在兩個關節處分別添加單分量力矩，然后將數值設為0。（2） 將MATLAB計算出的數據以Spline形式導入ADAMS。建立文本文檔保存在ADAMS工作目錄下，文檔中的存有兩列數據：第一列為時間，第二列為q1矩陣。單擊菜單【File】【Import】【Test Data】后，選中Create Splines，然后在File To Read輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【Browse】在彈出的對話框中選擇相應的文本文件，在Independent Column Index中輸入1，表示默認第一列為時間，然后單擊OK按鈕創建了SPLINE。如圖2

27、.15所示。然后用同樣的方法導入關節2的數據。2.16 導入數據文件建立SPLINES（3） 建立控制系統的輸入環節。單擊菜單【Build】【Controls Toolkit】【Standard Control Blocks】后，彈出創建控制環節工具包，在其中單擊輸入環節按鈕，彈出函數構造器，在其函數下拉表中選Spline項，然后單擊Assist按鈕，彈出函數輔助對話框，在First Independent Variable中輸入1，然后在Spline Name中單擊鼠標右鍵，在彈出快捷菜單中選擇【Spline】【Guesses】【Spline1】，單擊OK按鈕，如圖2.16所示，然后單擊OK

28、按鈕。2.16 建立輸入環節用同樣的方法再angl，在彈出的函數構造器中選擇Displacement項，然后在其下面的函數列表中，單擊Angle about z，單擊Assist按鈕，彈出函數輔助對話框，To Maker輸入框中單擊鼠標右鍵，在菜單中選擇【Marker】【Pick】項，然后單擊與旋轉副相關聯的PART_2.MARKER_3，用同樣方法為From Marker輸入框市區旋轉副相關聯的ground.MARKER_4，單擊OK按鈕。（4） 創建比較環節。單擊控制環節工具包中的比較環節按鈕1，在Input 1輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】【

29、Guesses】【Joint1_input】，在Input 2輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】【Guesses】【Joint1_angl】，其他選項默認。用同樣的方法建立關節2的比較環節.Control_PID.sum2。（5） 創建PID環節。單擊控制環節工具包中的PID按鈕，在Input輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_sum】【Guesses】【sum_1】，在Input 2輸入框中單擊鼠標右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇【controls_input】【Guesses】【Joint1_angl】，其他選項默認，如圖2

30、.17所示。用同樣的方法建立關節2的PID控制環節。2.17 創建PID環節（6） 將單分量力矩參數化。在圖形區雙擊單分量力矩的圖標，在彈出的編輯對話框中，單擊Function輸入框后的函數構造器按鈕，在Getting Object Data下拉菜單中選擇Measures，然后在輸入框中單擊鼠標右鍵，選擇【Runtme_Measure】【Guesses】【pid_1】，然后在單擊Insert Object Name按鈕，單擊OK，如圖2.18所示。用同樣的方法將關節2的單分量力矩與pid_2相關聯。2.18 PID環節的輸出與單分量力矩相關聯（7） PID控制環節的參數調節。單擊F8進入后處理

31、模塊中，在后處理模塊中將關節1與關節2的輸入角位移和輸出角位移進行比較，然后修改PID環節的參數，直至兩條曲線重合為止，如圖2.19，2.20所示。2.19 關節1的位移調節曲線2.20 關節2的位移調節曲線（8）繪制運動軌跡。單擊菜單【Review】【Create Trace Spline】，然后選擇關節2右端點Marker4，再選擇關節1與大地的鉸接點，鼠標移動到Joint1處，單擊鼠標右鍵，在彈出對話框中選擇ground，單擊OK創建運動軌跡，如圖2.21所示。2.21 機械臂末端軌跡2.1.4 基于ADAMS和MATLAB的聯合運動控制（1）（2） 創建輸入狀態變量。單擊菜單【Buil

32、d】【System Elements】【State Variable】【New】，彈出創建狀態變量對話框。將Name輸入框改成Torque1，單擊OK按鈕，如圖2.22所示。用同樣的方法創建輸入狀態變量Torque2。2.22 創建輸入狀態變量（3）將狀態變量與模型相關聯。在圖形區雙擊力矩圖標，打開對話框如圖2.23所示，在Function中輸入VARVAL(Torque1)，單擊OK按鈕后將狀態變量Torque1與單分量力矩關聯起來，同樣將另一個單分量力矩與狀態變量關聯起來。2.23 狀態變量與模型關聯（4）創建輸出狀態變量。單擊菜單【Build】【System Elements】【Stat

33、e Variable】【New】，彈出創建狀態變量對話框，如圖2.24所示。將Name輸入框修改成spline1，然后用上節提到的方法將該狀態變量與SPLINE1關聯，單擊OK。然后再建立狀態變量angle1，然后在F(time)=輸入框中輸入表達式AZ(MARKER_1, MARKER_6)，單擊OK。用同樣的方法創建狀態變量spline2和angle2。2.24 創建輸出狀態變量（5）指定狀態變量為輸入輸出變量。單擊菜單【Build】【Controls Toolkit】【Plant Input】/【Plant Output】后彈出相應的對話框，如圖2.25所示，然后添加相應的輸入輸出變量即可完成定義。分別將Torque1、Torque2指定為輸入變量，將spline1、spline2、angle1、angle2指定為輸出變量。2.25 指定輸入/輸出/變量（6）導出控制參數。單擊菜單【Controls】【Plant Export】，彈出導出控