以控制為中心的模擬器的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)-穩(wěn)定單輪機(jī)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(jī)電一體化設(shè)計(jì) 案例研究： Gyroscopically 穩(wěn)定單輪機(jī)器人 朱震、 A. Al-Mamun and Myint Phone Nain 通訊作者： A.馬蒙 (.sg) 電子與計(jì)算機(jī)工程系 新加坡民族大學(xué) 新加坡 117576 抽象 為援助復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)一個(gè) 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(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析 軟件）繪制這一機(jī)制的動(dòng)態(tài)行為的動(dòng)畫模擬。這個(gè)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(jì)師可以采用以控制為中心的新穎設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種集成使設(shè)計(jì)師可以采用以控制為中心的方去設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用的復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。單輪機(jī)器人的動(dòng)態(tài)分析作為本文的一個(gè)案例去說明他的用途。這個(gè)仿真環(huán)境可以被輕松地通過簡單的 alteringSolidWorks 圖紙擴(kuò)展到任何復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞 Gyrobot， 亞當(dāng)斯，單輪機(jī)器人、 動(dòng)態(tài)仿真 第一部分：導(dǎo)語 本文介紹了一個(gè)以控制為中心的用于機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。在這種方法下，控制器的設(shè)計(jì)不被作為一個(gè)獨(dú)立問題，而是與機(jī)制設(shè)計(jì)交織在一起的。這兩個(gè)設(shè)計(jì)是被同時(shí)提出的。在本文，我們通過放置一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的虛擬原型來概述這兩個(gè)共存的設(shè)計(jì)的方法，這個(gè)機(jī)械系統(tǒng)是根據(jù)閉環(huán)控制，去分析這個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為并進(jìn)行微調(diào)的機(jī)械設(shè)計(jì)。 仿真在任何復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都很重要，因?yàn)檫@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(jì)算機(jī)的，還要求數(shù)學(xué)建模。這種模型用于描述系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和尋找其動(dòng) 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(yùn)動(dòng)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(gè)以控制為中心的設(shè)計(jì)平臺。這種運(yùn)動(dòng)模擬器使用了三個(gè)具有不同連接器參數(shù)的三維機(jī)械制圖合并成一個(gè)復(fù)雜的機(jī)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(dòng)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(dòng)態(tài)行為。 亞當(dāng)斯 （自動(dòng)動(dòng)態(tài)分析的機(jī)械系統(tǒng)） 開始作為一般用途的項(xiàng)目去分析正在進(jìn)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(gè)一般用途的數(shù)字代碼，利用統(tǒng)籌發(fā)展非最小集的運(yùn)動(dòng)方程。此運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jì)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(jī)制造工具的廣泛應(yīng)用。在最近發(fā)表的文章上報(bào)道了設(shè)計(jì)和開發(fā)的仿人機(jī)器人虛擬樣機(jī)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(gè)實(shí)體模型的實(shí)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(gè)車輪狀的自主汽車，這種設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)被植根于正在運(yùn)行的自行車和其優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)能力的穩(wěn)定。滾動(dòng)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(jì)采用了轉(zhuǎn)動(dòng)輪子的這些特征。綜合仿真平臺將簡化機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)械。 ADAMS 和 MATLAB 的集成使得控制工程師完成設(shè)計(jì)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)電一體化系統(tǒng)的控制中心的設(shè)計(jì)，只要通過簡單地替換 GYROBOT任何復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)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(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)和模型 GYROBOT 設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)源于動(dòng)態(tài)自行車出色的轉(zhuǎn)向能力和動(dòng)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(dòng)態(tài)的滾動(dòng)輪作為示例來解釋說明。滾動(dòng)輪子的角動(dòng)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(dòng)來自于掀動(dòng)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(dòng)量添加到動(dòng)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(shí)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(jī)。被附加到外萬向支架的這個(gè)傾斜電機(jī)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(yùn)行著的電動(dòng)機(jī)使輪子 轉(zhuǎn)動(dòng) ；輪子的轉(zhuǎn)速可以通過控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)器人的操作的詳細(xì)信息。 Gyrobot 的模型圖在 SolidWorks 和實(shí)際的硬件中繪制的圖如 2 所示。圖示組件與實(shí)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(jī)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(gè)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(jī)械圖硬件 2： 外部視圖和內(nèi)部機(jī)制的 gyrobot 。 第三部分： 在亞當(dāng)斯動(dòng)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(jìn)行 。 亞當(dāng)斯 A. gyrobot模型 通過引入 3D圖紙?jiān)?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(jìn)行定義。質(zhì)量和慣性 自動(dòng)計(jì)算。表一列出的機(jī)器人組件主要的動(dòng)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(gè)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(jī)器人的行為。該機(jī)構(gòu)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是與一個(gè)特定的定義。比如說呢。 驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)被指定為一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，本聯(lián)合相關(guān)旋轉(zhuǎn)指定 車輪的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) 。 B.仿真設(shè)置 適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)仿真的需要之間的接觸特性的近似地 和輪輞。實(shí)際gyrobot RIM 鋁箔包裹，是在一個(gè)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(dòng)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(jì)算 所需要的模擬運(yùn)動(dòng)。它允許不同類型對于一個(gè)特定的問題積分器。在每個(gè)積分的詳細(xì)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(jī)械系統(tǒng)推薦的積分器 。 我們使用默認(rèn)的積分器，制定和修正?？梢允褂闷渌姆e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(gè)結(jié)構(gòu)中移動(dòng)最快的對象。如果飛輪頻率為 Y程度 每秒（基于其速度計(jì)算）和所需的運(yùn)動(dòng)中的每一步的飛輪 集成度 步驟，然后優(yōu)化步長（揚(yáng)程 ） 。 C.開環(huán)仿真結(jié)果 動(dòng)量守恒定律和陀螺進(jìn)動(dòng)控制的 gyrobot操作。 的快速旋轉(zhuǎn)的角動(dòng)量大，重型飛輪 克服外部 如傾動(dòng)力矩引起的重力擾動(dòng)。根據(jù)角動(dòng)量守恒， 高自旋車輪速度，更長的 機(jī)器人應(yīng)該能夠自己站起來 。 我們驗(yàn)證了飛輪轉(zhuǎn)速對平衡輪通過模擬運(yùn)動(dòng)的影響 不同的飛輪轉(zhuǎn)速的同時(shí)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(jìn)行，最高速 飛輪的。每個(gè)飛輪轉(zhuǎn)速，仿真是兩個(gè)條件 做（一）保持 gyrobot固定和（ b）使它滾動(dòng)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(shí)間隨飛輪轉(zhuǎn)速的增加而下降gyrobot， 與角動(dòng)量守恒。當(dāng)車輪，其角動(dòng)量 增加了飛輪的角動(dòng)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(shí)間較長時(shí)。 傾斜試驗(yàn)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(gè) gyrobot 傾斜 57。這符合仿真和實(shí)驗(yàn) 結(jié)果發(fā)表在 8 - 9 。學(xué)習(xí)的速度和 gyrobot進(jìn)動(dòng)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(jìn)動(dòng)的概念整合 。 第四部分： 仿真與閉環(huán)控制 本設(shè)計(jì)環(huán)境發(fā)展的動(dòng)機(jī)是由需要控制為中心的方法 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。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(shí)現(xiàn) 作為第一步， gyrobot 放置的閉環(huán)控制下的控制器實(shí)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(gè)軟件的使用它的任務(wù)是適當(dāng)?shù)?亞當(dāng)斯的三維動(dòng)態(tài)仿真 設(shè)計(jì)的控制器的機(jī)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(shí)現(xiàn)亞當(dāng) 下圖所示。用于這 些模擬控制器報(bào)告 6 較早，而設(shè)計(jì) 使用的 gyrobot線性模型，通過線性化的系統(tǒng)動(dòng)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(shí)。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(shí)現(xiàn)控制器 亞當(dāng)斯是用于動(dòng)態(tài)三維仿真，它的能力非常有限，為了實(shí)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(shí)現(xiàn)使用 Simulink。 閉環(huán)響應(yīng)控制器實(shí)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(shí)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(shí)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(dòng)態(tài)仿真模擬已被成功開發(fā)。少量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 gyrobot的操作，也就是說角動(dòng)量和陀螺游行的運(yùn)作原則有了法律保護(hù)。測試結(jié)果顯示虛擬原型的行為是根據(jù)兩項(xiàng)原則，因此，在亞當(dāng)斯的虛擬 gyrobotcreated 表示實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)?？刂破?也被實(shí)施以加強(qiáng)建設(shè)這種虛擬機(jī)器人的理由。這個(gè)虛擬原型現(xiàn)在可以用于各種調(diào)查，否則耗時(shí)或耗費(fèi)財(cái)力。使用的內(nèi)部控制模板提供由亞當(dāng)斯設(shè)計(jì)和實(shí)施閉環(huán)操作限制此虛擬系統(tǒng)的靈活性作為一個(gè)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(diǎn)類似方法 forsimulation 的機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)、 博士論文，密歇根大學(xué)，安阿伯 MI、 美國， 1973 2