以控制為中心的模擬器的機電一體化設(shè)計-穩(wěn)定單輪機器人#中英文翻譯#外文翻譯匹配

國際雜志上 智能感知和智能化系統(tǒng)，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(shè)計 案例研究： Gyroscopically 穩(wěn)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(xué) 新加坡 117576 抽象 為援助復(fù)雜機電系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)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(dāng)斯（機械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析 軟件）繪制這一機制的動態(tài)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(shè)計師可以采用以控制為中心的新穎設(shè)計復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)，這種集成使設(shè)計師可以采用以控制為中心的方去設(shè)計在機電一體化系統(tǒng)中使用的復(fù)雜的機械結(jié)構(gòu)。單輪機器人的動態(tài)分析作為本文的一個案例去說明他的用途。這個仿真環(huán)境可以被輕松地通過簡單的 alteringSolidWorks 圖紙擴展到任何復(fù)雜的機械系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 Gyrobot， 亞當(dāng)斯，單輪機器人、 動態(tài)仿真 第一部分：導(dǎo)語 本文介紹了一個以控制為中心的用于機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的方法。在這種方法下，控制器的設(shè)計不被作為一個獨立問題，而是與機制設(shè)計交織在一起的。這兩個設(shè)計是被同時提出的。在本文，我們通過放置一個機械系統(tǒng)的虛擬原型來概述這兩個共存的設(shè)計的方法，這個機械系統(tǒng)是根據(jù)閉環(huán)控制，去分析這個系統(tǒng)的動態(tài)行為并進行微調(diào)的機械設(shè)計。 仿真在任何復(fù)雜的機電系統(tǒng)設(shè)計中都很重要，因為這關(guān)乎著復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和操作。傳統(tǒng)上，大多數(shù)模擬是基于計算機的，還要求數(shù)學(xué)建模。這種模型用于描述系統(tǒng)動力學(xué)和尋找其動 態(tài)響應(yīng)。這種模型還用于預(yù)測在一組給定參數(shù)和初始條件下的系統(tǒng)行為。 開發(fā) 3D 運動仿真的 ADAMS 與在控制界很流行的MATLAB/SIMULINK 軟件結(jié)合在一起來建造一個以控制為中心的設(shè)計平臺。這種運動模擬器使用了三個具有不同連接器參數(shù)的三維機械制圖合并成一個復(fù)雜的機電一體化系統(tǒng)。這樣就消除了需要導(dǎo)出復(fù)數(shù)和非線性系統(tǒng)的動態(tài)行為的數(shù)學(xué)模型。這種模擬器曾經(jīng)被廣泛用于在開路控制和閉路控制中分析 GYROBOT的動態(tài)行為。 亞當(dāng)斯 （自動動態(tài)分析的機械系統(tǒng)） 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(tǒng)。這種方法由尼古拉。奧爾蘭代亞開發(fā)。它可以被歸類為一個一般用途的數(shù)字代碼，利用統(tǒng)籌發(fā)展非最小集的運動方程。此運動仿真軟件分析復(fù)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(yōu)化設(shè)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(shù)來解決其最內(nèi)層計算循環(huán)中的線性方程組。自成立以來，重大發(fā)展投資導(dǎo)致工業(yè)上復(fù)雜虛擬原型機制造工具的廣泛應(yīng)用。在最近發(fā)表的文章上報道了設(shè)計和開發(fā)的仿人機器人虛擬樣機技術(shù)的使用。 ADAMS 允許用戶從 CAD 系統(tǒng)中導(dǎo)入幾何或生成一個實體模型的實現(xiàn)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(zhuǎn)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(shè)計的動機被植根于正在運行的自行車和其優(yōu)秀的機動能力的穩(wěn)定。滾動輪有內(nèi)在的持續(xù)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(dǎo)向傾斜的那一邊。 GYROBOT 的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計采用了轉(zhuǎn)動輪子的這些特征。綜合仿真平臺將簡化機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計階段。而且呢，他還可以讓學(xué)生和研究者更深刻地理解任何復(fù)雜的機械。 ADAMS 和 MATLAB 的集成使得控制工程師完成設(shè)計周期而不生成任何原型。此外可以使用模擬結(jié)果也可以被用于對機械設(shè)計的微調(diào)。本文的結(jié)論包括： (i)用 ADAMS 軟件開環(huán)仿真的 GYROBOT(ii) 閉環(huán)系統(tǒng)的仿真。這一綜合的系統(tǒng)，可以用于任何機電一體化系統(tǒng)的控制中心的設(shè)計，只要通過簡單地替換 GYROBOT任何復(fù)雜系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)的 3D 繪圖。 第二節(jié)簡要地解釋 GYROBOT 的結(jié)構(gòu)和原則。在第三節(jié)中提出的HYROBOT 的動態(tài)模擬說明了基本的操作原理。閉環(huán)模擬的結(jié)果刊載于第四部分。關(guān)鍵功能的開發(fā)系統(tǒng)和可能提高的領(lǐng)域在結(jié)語中突出顯示。 第二部分。 GYROBOT：機械結(jié)構(gòu)和模型 GYROBOT 設(shè)計的動機源于動態(tài)自行車出色的轉(zhuǎn)向能力和動態(tài)穩(wěn)定性。自主汽車及其轉(zhuǎn)向能力的特殊結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性可以使用動態(tài)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(cè)。如果輪子被向一側(cè)傾斜，而不至于落到那一側(cè)去的現(xiàn)象是由于稱為陀螺儀的精度。使 gyrobot傾斜的驅(qū)動來自于掀動重飛輪高速旋轉(zhuǎn)的反應(yīng)。飛輪被設(shè)置在 GYROBOT 的內(nèi)殼里，并且被懸掛于 gyrobot 所使用的兩軸萬向節(jié)的軸上。飛輪大的角動量添加到動態(tài)穩(wěn)定性，并提供對態(tài)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(jié)構(gòu)在很多方面比起常規(guī)多輪式自主車輛有著優(yōu)勢。由于電子零件時閉路的， gyrobot 是特別適合潮濕地區(qū)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(zhuǎn)飛輪萬向節(jié)的 gyrobot 的軌上。飛輪附加到內(nèi)部萬向節(jié)和紡成旋轉(zhuǎn)電機。被附加到外萬向支架的這個傾斜電機可以使內(nèi)部萬向節(jié)傾斜并使飛輪快速旋轉(zhuǎn)向任一側(cè)。通過這一平臺的 GYROBOT的軌和這一平臺懸掛著萬向節(jié)和飛輪結(jié)構(gòu)。 Gyrobot 的外殼是硬性加入到軌的。運行著的電動機使輪子 轉(zhuǎn)動 ；輪子的轉(zhuǎn)速可以通過控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速控制。有興趣的讀者可參考 4-6 和許多其他引用中關(guān)于穩(wěn)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(fù)雜性，只有機械部件包括在 SolidWorks 繪圖 ；這些都是 theouter 輪、 內(nèi)部萬向節(jié)、 外萬向節(jié)、 飛輪用其支撐結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)是 gyrobot 的足以反映出，稍后將被審查的物理屬性。質(zhì)量、密度和摩擦。亞 當(dāng)斯 /視圖中定義。 (a) Solidworks 繪圖的 gyrobot (b) 內(nèi)部機械圖硬件 2： 外部視圖和內(nèi)部機制的 gyrobot 。 第三部分： 在亞當(dāng)斯動力學(xué)仿真 在本節(jié)中，我們給出仿真結(jié)果來說明的 gyrobot基本操作。這些開環(huán)模擬使用亞當(dāng)斯只 開始 進行 。 亞當(dāng)斯 A. gyrobot模型 通過引入 3D圖紙在 SolidWorks創(chuàng)建了 gyrobot亞當(dāng)斯模型 parasolids 文件。材料，質(zhì)量，密度和摩擦進行定義。質(zhì)量和慣性 自動計算。表一列出的機器人組件主要的動態(tài)特性 提出了亞當(dāng)斯模型。 gyrobot 模型在亞當(dāng)斯環(huán)境需要幾個方面考慮，如重力，接觸 約束，摩擦，慣性和參考標(biāo)記，使良好的逼近 真正的機器人的行為。該機構(gòu)各關(guān)節(jié)的運動是與一個特定的定義。比如說呢。 驅(qū)動關(guān)節(jié)被指定為一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，本聯(lián)合相關(guān)旋轉(zhuǎn)指定 車輪的滾動運動 。 B.仿真設(shè)置 適當(dāng)?shù)膭討B(tài)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(shù)是 0.95，靜態(tài)條件選擇 。 和 0.8的動態(tài)條件下，在協(xié)議與 之匹配 。 亞當(dāng)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(fā)現(xiàn)在 亞當(dāng)斯 /求解器文件 積分設(shè)置， gstiff 是大多數(shù)機械系統(tǒng)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(shè)置，基于 模擬式（其他比 gyrobot模型）清楚理解積分器設(shè)定 在亞當(dāng)斯 /求解器文件 。 有指定的模擬頻率，內(nèi)部頻率和步長。模擬頻率 更新圖形顯示的頻率，而內(nèi)部的頻率是密切相關(guān)的 正在研究的系統(tǒng)。它代表了在該組件的狀態(tài)被改變的速度。內(nèi)部頻率 在仿真環(huán)境和其他求解器的設(shè)置非常重要的參數(shù)必須設(shè)置依據(jù) 與內(nèi)部頻率 。 飛輪是整個結(jié)構(gòu)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(yōu)化步長（揚程 ） 。 C.開環(huán)仿真結(jié)果 動量守恒定律和陀螺進動控制的 gyrobot操作。 的快速旋轉(zhuǎn)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(jù)角動量守恒， 高自旋車輪速度，更長的 機器人應(yīng)該能夠自己站起來 。 我們驗證了飛輪轉(zhuǎn)速對平衡輪通過模擬運動的影響 不同的飛輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速 1000轉(zhuǎn)和 7000 轉(zhuǎn)之間進行，最高速 飛輪的。每個飛輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。結(jié)果總結(jié)在表 II。這顯然是 顯然，時間隨飛輪轉(zhuǎn)速的增加而下降gyrobot， 與角動量守恒。當(dāng)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(zhuǎn)速，過了秋天 gyrobot卷時間較長時。 傾斜試驗期間， gyrobot假設(shè)是站在平坦表面與飛輪旋轉(zhuǎn) 300轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)果發(fā)表在 8 - 9 。學(xué)習(xí)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(jié)果再次重復(fù) 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(huán)控制 本設(shè)計環(huán)境發(fā)展的動機是由需要控制為中心的方法 機電一體化設(shè)計。將模擬能力，在閉環(huán)控制是必不可少的。 在本節(jié)中，我們 提出了閉環(huán)控制的仿真結(jié)果 。 A.亞當(dāng)斯控制器的實現(xiàn) 作為第一步， gyrobot 放置的閉環(huán)控制下的控制器實現(xiàn)的亞當(dāng)斯。我們的最終目標(biāo)是亞當(dāng)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(wù)是適當(dāng)?shù)?亞當(dāng)斯的三維動態(tài)仿真 設(shè)計的控制器的機械結(jié)構(gòu)和 MATLAB仿真。 仿真結(jié)果與 PD（比例加微分）控制器中實現(xiàn)亞當(dāng) 下圖所示。用于這 些模擬控制器報告 6 較早，而設(shè)計 使用的 gyrobot線性模型，通過線性化的系統(tǒng)動力學(xué)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(xiàn)控制器 亞當(dāng)斯是用于動態(tài)三維仿真，它的能力非常有限，為了實現(xiàn) 控制器。我們創(chuàng)造了亞當(dāng)斯和 Matlab / Simulink之間的界面， 控制器可以實現(xiàn)使用 Simulink。 閉環(huán)響應(yīng)控制器實現(xiàn)在 Simulink。這些 結(jié)果是那些在亞當(dāng)斯獲得相同的控制器實現(xiàn)。亞當(dāng)斯與整合 讓我們利用 MATLAB的更好的方面?，F(xiàn)在我們不再被限制 亞當(dāng)斯在實現(xiàn)控制器和我們可以嘗試更復(fù)雜的控制器 結(jié)構(gòu)包括模糊邏輯控制，滑?？刂频?。 第五部分：結(jié)語 gyrobot 在 ADAMS 環(huán)境中的動態(tài)仿真模擬已被成功開發(fā)。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(jié)果顯示虛擬原型的行為是根據(jù)兩項原則，因此，在亞當(dāng)斯的虛擬 gyrobotcreated 表示實際的機械系統(tǒng)?？刂破?也被實施以加強建設(shè)這種虛擬機器人的理由。這個虛擬原型現(xiàn)在可以用于各種調(diào)查，否則耗時或耗費財力。使用的內(nèi)部控制模板提供由亞當(dāng)斯設(shè)計和實施閉環(huán)操作限制此虛擬系統(tǒng)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(fā)展和應(yīng)用面向稀疏度的節(jié)點類似方法 forsimulation 的機械動力系統(tǒng)、 博士論文，密歇根大學(xué)，安阿伯 MI、 美國， 1973 2