一种柔性机械臂控制仿真平台及其仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性机械臂控制仿真平台及其工作方法，所述的仿真平台包括柔性机械臂数学模型、仿真平台主界面、控制方案选择及实现模块、期望轨迹设置模块、控制参数设置模块和参数状态显示模块，利用构建图形化界面的GUI语言，设计仿真平台的人机交互界面，与基于Simulink的控制仿真系统建立了数据交互通道。使用者在人机交互界面上输入仿真平台的各个控制参数及模型参数，通过点击各个功能按钮，实现参数设置、数学仿真运行及仿真图像显示。

A flexible manipulator control simulation platform and its simulation method

The invention relates to a flexible manipulator control simulation platform and its working method. The simulation platform comprises a flexible manipulator mathematical model, a main interface of the simulation platform, a control scheme selection and implementation module, a desired trajectory setting module, a control parameter setting module and a parameter state display module, and a graphical bound is constructed by using the simulation platform. Face GUI language, design the human-computer interaction interface of the simulation platform, and establish the data interaction channel with the control simulation system based on Simulink. Users input the control parameters and model parameters of the simulation platform on the human-computer interaction interface. By clicking on the function buttons, the parameters setting, mathematical simulation running and simulation image display are realized.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性机械臂控制仿真平台及其仿真方法
本专利技术涉及一种机械臂的仿真技术，尤其是一种用于柔性机械臂的控制仿真平台及其仿真方法，属于移动通信

技术介绍
柔性机械臂作为柔性多体系统动力学分析与控制理论研究最直接的应用对象，其具有简明的物理模型以及易于计算机和实物模型试验实现的特点。自20世纪90年代起，柔性机械臂的建模与仿真研究引起了国内外专家学者的广泛关注。迄今为止针对刚性机械臂控制的研究已经形成了诸多成熟的控制理论。控制论的全面发展为柔性机械臂控制算法设计提供了诸多选择，特别是神经网络控制、模糊控制、混合智能控制等非线性控制等理论都被不同程度地引入柔性机械臂控制器的设计领域。传统的柔性机械臂前期研制到投入工程实践的过程中需要多次进行控制效果测试，测试周期长，且在产品不能保证控制方法满足安全性和高效性要求时无法更新算法，需要重新设计柔性机械臂从而产生资源浪费。近几十年来，计算机技术己经成为诸多科学研究领域必要的工具，而以数学理论为基础，以计算机和各种物理设施为辅助设备，建立模拟仿真模型对实际的或设想的系统进行试验仿真研究的方法也逐渐成为了各个学术领域研究过程中最常用的方法。利用计算机仿真技术，在前期设计过程中控制系统的参数可随时进行重设，通过仿真结果可预先确定机械臂设计的合理性，这一方法在柔性机械臂的理论研究方面具有长远的帮助。国内现阶段实现柔性机械臂仿真的方法大多为软件直接建模。例如，在ADAMS软件中建立柔性机械臂的物理模型，并在MATLAB/Simulink环境中设计控制器实现了联合仿真；或在DADS软件环境下采用有限段法对多柔体系统进行建模并实现了双连杆柔性机械臂的动力学仿真；或在柔性机械臂的建模上采用了MapleSim多领域仿真建模平台，借助Maple环境功能块化的编程方式实现了柔性机械臂的分部设计。但上述柔性机械臂仿真系统的结构很复杂，参数重设难度大，还有交互性差，仿真数据不易观察与处理的问题。综上所述，现阶段的柔性机械臂控制仿真平台主要存在以下问题：1、仿真平台人机交互性差，操作逻辑复杂。2、仿真数据量大，纯数据的记录不易于分析工作。3、参数设修改难度大，需对仿真系统进行重新设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对现有技术存在的缺陷，提出一种柔性机械臂控制仿真平台及其仿真方法，以图形化人机交互界面为主要形式，以柔性机械臂控制算法选择、数学模型参数设置、状态量实时显示为主要功能，实现柔性机械臂控制算法快速测试的仿真平台。为了达到以上目的，本专利技术提供了一种柔性机械臂控制仿真平台，包括柔性机械臂数学模型(1)、仿真平台主界面(2)、控制方案选择及实现模块(3)、期望轨迹设计模块(4)、控制参数设置模块(5)及参数状态显示模块(6)，各模块之间通讯连接实现数据传输。所述的仿真平台主界面(2)负责协调仿真平台中各模块的工作过程，通过控制参数设置模块(5)给定目标控制参数，并传递至柔性机械臂数学模型(1)；通过控制方案选择及实现模块(3)设置目标使用的控制方法；利用期望轨迹设置模块(4)指定柔性机械臂仿真运动的期望轨迹；利用参数状态显示模块(6)在仿真平台主界面(2)上实现各参数数值及仿真图像的实时显示。本专利技术的进一步限定技术方案为：所述柔性机械臂数学模型为被控柔性机械臂的数学模型表达式，利用力学关系建立两自由度的柔性机械臂数学模型，表达式如下：其中，q和qm分别表示连杆和转子的角位置；I和J分别表示连杆和转子的转动惯量；K代表关节刚度系数；M,g,l分别表示连杆质量、重力加速度和连杆中心至关节长度；u表示电机转矩输入；所述柔性机械数学模型包括柔性机械臂的模型数学表达式及数据传输模块：所述数学表达式以S函数方式存储为单文件负责数学仿真任务，所述数据传输模块负责与仿真平台主界面链接实现仿真结果数据的传送任务。所述仿真平台主界面是基于GUI语言编写的图形化人机交互界面，其界面包含参数设置窗口、参数状态显示窗口及综合控制区；所述仿真平台主界面基于GUI编写的程序，下附四个控制算法子界面，界面包含参数设置窗口、参数状态显示窗口和综合控制区。所述的参数设置窗口提供控制参数的输入界面；所述的参数状态显示窗口提供参数状态显示的绘图区域；所述的综合控制区通过按钮控件负责控制仿真工作的启动、暂停和返回上级界面。所述控制方案选择及实现模块具有至少一种控制方法以供用户选择，用户通过修改仿真系统中控制律的数学表达式匹配控制算法；所述控制方案选择及实现模块为用户搭建实现控制方案的基本框架，具有多种控制方案供选择进行仿真，包括PID控制、神经网络控制、滑模控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、预测控制等，通过数学推导出不同控制方法对应的控制律进行调整以适配所述仿真平台。所述期望轨迹设置模块具有至少一种柔性机械臂运动轨迹以供用户选择，用户根据实验设计需要选择相应的轨迹函数进行仿真测试；所述期望轨迹设置模块具有被控柔性机械臂运动轨迹的设置方法，通过选择轨迹输入模块使用的轨迹函数，实现柔性机械臂仿真运动轨迹的预设和更改；所述柔性机械臂运动轨迹包括按正弦轨迹运动、按余弦轨迹运动、按三角波轨迹运动、按方波轨迹运动、按恒值轨迹运动。所述控制参数设置模块负责完成控制参数的输入及向柔性机械臂数学模型的传递工作；所述控制参数设置模块具有柔性机械臂各控制参数的设置窗口，用户在仿真平台主界面的参数设置窗口处输入仿真所需控制参数后，完成对柔性机械臂各相关控制参数的设置。所述参数状态显示模块负责显示控制参数的数值及仿真控制系统输出的仿真曲线。所述参数状态显示界面通过数值方式以显示各输入参数的值，并通过动态绘图的方式显示各被观测状态量，包括控制律、仿真控制系统输出状态值及观测器输出值的曲线，实现对仿真系统各参数及仿真结果的实时监测。一种柔性机械臂控制仿真平台的仿真方法，包括如下步骤：步骤1，启动仿真平台，运行主界面，根据实际工况选择所需控制算法，点击对应的“GUI调用”按钮，调用仿真平台主界面下相对应的子界面；步骤2，在仿真平台的子系统界面中，通过控制参数设置模块输入仿真模型的各项物理参数及控制参数；步骤3，启动仿真，仿真平台主界面的参数状态显示模块负责调用数学模型产生的仿真数据实现各状态量的图形绘制；步骤4，用户根据反馈信息进行回应，实现所需的后续操作，回到上一级主界面；步骤5，重复以上流程直至结束。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术利用构建图形化界面的GUI语言，设计仿真平台的人机交互界面，与基于Simulink的控制仿真系统建立了数据交互通道。使用者在人机交互界面上输入仿真平台的各个控制参数及模型参数，通过点击各个功能按钮，实现参数设置、数学仿真运行及仿真图像显示。本专利技术可以让使用者根据设计需要任意给定柔性机械臂的运动期望轨迹、设置仿真平台的各个控制参数及模型参数。仿真平台的使用不受时间、地点限制，使用者可以根据需要随时进行仿真工作。使用者可以选择多种控制算法进行仿真实验，缩短了控制算法的测试时间。使用者可以验证控制系统设计的可靠性，避免因为柔性机械臂参数设计失误而产生的资源浪费与设计人员的安全问题。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1是本专利技术的结构示意图。具体实施方式本实施例提供了一种柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：包括柔性机械臂数学模型(1)、仿真平台主界面(2)、控制方案选择及实现模块(3)、期望轨迹设计模块(4)、控制参数设置模块(5)及参数状态显示模块(6)，各模块之间通讯连接实现数据传输；所述的仿真平台主界面(2)负责协调仿真平台中各模块的工作过程，通过控制参数设置模块(5)给定目标控制参数，并传递至柔性机械臂数学模型(1)；通过控制方案选择及实现模块(3)设置目标使用的控制方法；利用期望轨迹设置模块(4)指定柔性机械臂仿真运动的期望轨迹；利用参数状态显示模块(6)在仿真平台主界面(2)上实现各参数数值及仿真图像的实时显示。

【技术特征摘要】
1.一种柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：包括柔性机械臂数学模型(1)、仿真平台主界面(2)、控制方案选择及实现模块(3)、期望轨迹设计模块(4)、控制参数设置模块(5)及参数状态显示模块(6)，各模块之间通讯连接实现数据传输；所述的仿真平台主界面(2)负责协调仿真平台中各模块的工作过程，通过控制参数设置模块(5)给定目标控制参数，并传递至柔性机械臂数学模型(1)；通过控制方案选择及实现模块(3)设置目标使用的控制方法；利用期望轨迹设置模块(4)指定柔性机械臂仿真运动的期望轨迹；利用参数状态显示模块(6)在仿真平台主界面(2)上实现各参数数值及仿真图像的实时显示。2.根据权利要求1所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械臂数学模型为被控柔性机械臂的数学模型表达式，利用力学关系建立两自由度的柔性机械臂数学模型，表达式如下：其中，q和qm分别表示连杆和转子的角位置；I和J分别表示连杆和转子的转动惯量；K代表关节刚度系数；M,g,l分别表示连杆质量、重力加速度和连杆中心至关节长度；u表示电机转矩输入；所述仿真平台主界面是基于GUI语言编写的图形化人机交互界面，其界面包含参数设置窗口、参数状态显示窗口及综合控制区；所述控制方案选择及实现模块具有至少一种控制方法以供用户选择，用户通过修改仿真系统中控制律的数学表达式匹配控制算法；所述期望轨迹设置模块具有至少一种柔性机械臂运动轨迹以供用户选择，用户根据实验设计需要选择相应的轨迹函数进行仿真测试；所述控制参数设置模块负责完成控制参数的输入及向柔性机械臂数学模型的传递工作；所述参数状态显示模块负责显示控制参数的数值及仿真控制系统输出的仿真曲线。3.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述柔性机械数学模型包括柔性机械臂的模型数学表达式及数据传输模块：所述数学表达式以S函数方式存储为单文件负责数学仿真任务，所述数据传输模块负责与仿真平台主界面链接实现仿真结果数据的传送任务。4.根据权利要求2所述的柔性机械臂控制仿真平台，其特征在于：所述仿真平台主界面基于GUI编写的程序，下附四个控制算法子界面，分别为：非鲁棒状态反馈、非鲁棒输出反馈、鲁棒状态反馈及鲁棒输出反馈四个界面，各子界面均...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杨，竹晨曦，魏祥森，岳东，谈杰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32