用户案例 | 美国UCLA大学使用MapleSim实现机电一体化控制

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用户团队背景

在加州大学洛杉矶分校（UCLA），机电一体化控制实验im的任务是对基于控制的工程应用进行研究，包括机械加工、发动机控制和纳米定位。该团队最近采用了MapleSim，即MapleSoft公司的模拟和建模工具，以创建他们研究项目的动态模型。有了MapleSim的这些动态模型，他的团队可以更容易地研究产品在不同情况下的表现。模拟结果帮助团队为各种项目制定了良好的控制策略，并作为一种有效的教育工具为他们的学生演示教学概念。

案例1 | 机械手臂的迭代学习控制

机器人机械手臂的轨迹跟踪是工业界的关键技术，因为它在许多制造过程中都有应用，如激光切割、焊接、抛光和胶水分配。这些任务的重复性使迭代学习控制（iterativelearning control，ILC）成为一种利用先前的试验信息来改进后续试验的策略，这是一种很有前景的控制策略。大多数工业机器人使用齿轮马达，因为它们成本低，扭矩输出高和尺寸紧凑。由于使用齿轮马达，齿轮减速可使外部扭矩变小，这样就允许该团队将操纵过程建模为单输入、单输出（SISO）系统。

图1：RH-12机器人手臂在MapleSim中的模型，包括多体模型和信号驱动子系统

在本研究中，该团队评估了ILC策略是否可以用于提高跟踪和控制性能。为了加快收敛速度，减少所需的迭代，这里建立了一个动态模型，利用逆运动学数据为控制器提供输入数据。该算法在MapleSim构建的6自由度机器人机械手模型上进行了测试（图1）。利用MapleSim的动态模型，该团队还研究了在影响机器人运动常见场景下的ILC算法，如关节弹性、摩擦和齿轮间隙。该团队将ILC数据与典型的非ILC设计进行了比较，发现使用他们的ILC算法可以对原设计有很大的改进（图2）。

图2：ILC跟踪性能与PID跟踪性能的结果比较，其中（A）是参考路径，（B）是具有偏差的原始PID控制器路径（红色），和（C）是与参考路径几乎没有可分辨偏差的ILC算法路径。

案例2 | 为腹腔镜手术远程指导与训练设计的机器人系统

此腹腔镜机器人系统平台，采用了高精度插入腹壁的光纤，旨在帮助受培训者安全地学习腹腔镜手术所需的特殊技能。腹腔镜机器人系统由专家站和学员站组成，双方通过互联网连接。嵌入式的执行器允许学员站的系统由专家站医生操纵，以便学员通过实物反馈学习正确的技术。手术器械轨迹和视频输入可以被记录下来，然后由学员回放，通过重复的指导视频来磨练技能，无需专家监督。

此系统创建了拥有极高近似度的外科手术工作空间，整合商用外科器械，可以为定量分析和信息反馈提供大量高精度数据。

图1：腹腔镜手术系统（左）和描述设计各个部分的CAD模型（右）

在MapleSim中建立了运动模型，用于评估运动范围等设计要求。使用MapleSim CAD工具箱，将腹腔镜CAD信息导入MapleSim，各部件由旋转副和滑移副连接在一起（图2）。利用该模型，可以在多种工作条件下提取运动信息。如惯性、电机动力学和摩擦等其他特性，也可以结合到模型中，更好地模拟整个系统动力学，并有助于设计更好的控制算法。

图2：各部件布局见MapleSim模型（左），模型右臂见MapleSim的三维仿真结果窗口（右）

案例3 | 新型扭倾多转子四旋翼机

该团队通过MapleSim的动态仿真结果，开发了一种新型四旋翼系统。四旋翼上的每个螺旋桨都添加了两个额外的旋转接头，为螺旋桨叶片提供扭转和倾斜能力，并允许每个螺旋桨在多个方向上产生推力（图1）。这种四旋翼有12个自由度（DOF），在三维空间中"过驱动"以提供更大的控制。与传统的"欠驱动"四旋翼机相比，加扭倾的四旋翼机能够在保持任意规定方向的前提下跟踪运动轨迹，在运动过程中具有更大的灵活性和更高的能量效率。

图1：单螺旋桨的配置，展示了扭转和倾斜执行机构

利用MapleSim软件对四旋翼机各部件进行了动力学仿真。模型中包含了关节伺服电机和螺旋桨电机的动力学特性，并在必要的地方增加了系统的运动传感器。然后使用MapleSim Connector将完整的MapleSim模型导出为Simulink S-Function功能块，以开发控制算法。为了测试系统，在四旋翼下面安装了一个接触探针，以提供接触力反馈。使用此反馈，模拟了四旋翼在不同平面上执行简单检查任务时的状态（图2）。