【MBD】使用系统仿真软件 Altair Activate™ 控制多体机械手臂路径

01

多体运动模型-MotionView

首先我们需要有一个设定好的多体运动模型，设置好一个四轴的机械手臂，建模重点包含多体机构运动学中的接触(Contact)、约束(Joint)、运动控制(Motion)等，有了这些系统即可完成机械手臂的路径运动。

然后再进一步设定控制参数、输入及输出参数，以及Force指令读取输入的转矩力量值施加在旋转轴上。

我们用Motion(强制角位移)的形式，赋予每一个旋转轴在整个运动过程中的角度控制，用这种方式可以让转动角度完美的依照使用者定义的曲线转动，精准地控制每一个时间点各轴的转动位置，就像一般我们做结构分析常用的强制位移曲线一样。

在此范例中我们需要四个Motion控制四个旋转轴（如下图所示），设定完后可以点击Run，计算得到机械手臂运动路径。

为了要利用Activate模组做控制路径，需要定义输入及输出参数，输出参数分别为转轴角度-Angle，转轴角速度-Rate，以及转轴的角度控制命令曲线-Order，输入参数为施加于转轴的转矩值-Torque。

设置Force施加转矩于转轴上，Force的数值即为输入参数的值。每个旋转轴需设置一组转矩控制-Force。 

设定完后即可把前述的运动控制(Motion)关掉，转轴的运动即改为使用Force驱动。这里因为还没有使用控制模型，直接运行后会看到手臂没有依照命令路径运动。

有了输入输出参数后，还需要设定输入输出矩阵，才可以在控制模型中读取多体模型的输入值及输出值。

02

控制系统模型-Activate

利用控制模组建立一个PID控制器系统，并且利用Activate的多体模型信号器读取前述的多体模型。

控制系统两大主要区块——PID控制器及马达驱动。如下图左方为输入参数(角度、角速度及转轴控制命令)，进入中间PID控制器，输出dVh参数给右方马达驱动器，得到需要输入的转矩值(Torque)。

Activate内建立读取多体模型的工具(MotionSolveSignal)，选择多体模型，指定输出mrf格式后，自动读取在多体模型中设定的输入输出参数。这个例子中多体模型输入参数为转矩(Torque)，输出参数为转轴角度、角速度及角度命令。

利用Activate的绘图工具(Scope)，输出计算过程中的角度、角速度、转矩曲线。角度及命令曲线绘于同一图形区块，可以看到实际角度及命令曲线的吻合程度，通过修改PID控制器的Kp、Ki及Kd值，可以得到不同的角度控制曲线，最终目标为使两条曲线趋于一致。

这里我们简单介绍一下三个参数的意义：

• Kp：比例控制项，考虑的是当前的误差

• Ki：积分控制项，考虑的是过去的误差

• Kd：微分控制项，考虑的是未来的误差

Activate控制模型设定完成后，点击Simulate执行计算，计算过程中可以看到转矩曲线及角度曲线输出。

读取计算完后的h3d动画档案，与初始阶段使用MotionView设定模型相比，两者的运动路径几乎相符。