Altair Taiwan Blog

本期將為您介紹於如何用Altair控制模組-Activate，控制多體機構運動模型，利用PID控制器達到控制路徑的監測，達到實際運行路徑(轉軸角度)與施加的命令曲線趨於一致，以及得到多體模型中需輸入之入力(轉矩)。我們會拿一個機械手臂路徑規劃的範例來講解，此模型為Altair公開資料中可下載之模型

多體運動模型-MotionView

首先我們需要有一個設定好的多體運動模型，設置好一個四軸的機械手臂，建模重點包含多體機構運動學中的接觸(Contact)、轉軸(Joint)、運動控制(Motion)等，有了這些系統即可完成機械手臂之路徑運動。然後再進一步設定控制參數，輸入及輸出參數，以及Force指令讀取輸入之轉矩力量值，施加在旋轉軸上。

• 施加強制角度位移控制-Motion

我們用Motion(強制角位移)的形式，賦予每一個旋轉軸在整個運動過程中的角度控制，用這種方式可以讓轉動角度完美的依照使用者定義的曲線轉動，精準地控制每一個時間點各軸的轉動位置，就像一般我們做結構分析常用的強制位移曲線。在此範例中我們需要四個Motion控制四個旋轉軸如下圖，設定完後可以點擊Run，計算得到機械手臂運動路徑。

• 設定輸入及輸出參數-Solver Variable
• Activate模組做控制路徑，需要定義輸入及輸出參數，輸出參數分別為轉軸之角度-Angle，轉軸之角速度-Rate，以及轉軸的角度控制命令曲線-Order，輸入參數為施加於轉軸之轉矩值-Torque。

• 設置力量控制-Force

Force施加轉矩於轉軸上，Force的數值即為輸入參數的值。每個旋轉軸需設置一組Force-轉矩力量控制。設定完後即可把前述之運動控制(Motion)關掉，轉軸之運動即改為使用Force驅動。這裡因為還沒有使用控制模型，直接運行後可看到手臂不會依照命令路徑運動。

• 設置輸入及輸出矩陣-Solver Array

控制系統模型-Activate

利用控制模組建立一個PID控制器系統，並且利用Activate的多體模型信號器讀取前述之多體模型。

• PID控制器及馬達驅動
• PID控制器及馬達驅動，如下圖左方為輸入參數(角度、角速度及轉軸控制命令)，進入中間PID控制器，輸出dVh參數給右方馬達驅動器，得到需要輸入之轉矩值(Torque)

• 多體模型信號區塊
• 內建讀取多體模型之工具(MotionSolveSignal)，選擇多體模型檔案，指定輸出mrf檔名後，自動讀取在多體模型中設定之輸入輸出參數。這個例子中多體模型輸入參數為轉矩(Torque)，輸出參數為轉軸角度、角速度及角度命令。

• 曲線輸出信號
• Activate的繪圖工具(Scope)，輸出計算過程中之角度、角速度、轉矩曲線。角度及命令曲線繪於同一圖形區塊，可以看到實際角度及命令曲線的吻合程度，透過修改PID控制器的Kp、Ki及Kd值，可以得到不同的角度控制曲線，最終目標為使兩條曲線趨於一致。這裡我們簡單介紹一下三個參數的意義：

1. Kp：比例控制項，考慮的是當前的誤差
2. Ki：積分控制項，考慮的是過去的誤差
3. Kd：微分控制項，考慮的是未來的誤差

• 計算結果
• 控制模型設定完成後，點擊Simulate執行計算，計算過程中可以看到轉矩曲線及角度曲線輸出。讀取計算完後之h3d動畫檔案，與初始階段使用MotionView設定模型，比較兩者之運動路徑幾乎相符。

模型下載