如何模擬機械手臂的運動與控制行為？
一、機器手臂是提升工廠效率與安全的關鍵
隨著科技的快速進步和工業自動化的普及，機器手臂已成為眾多領域中不可或缺的關鍵元素。在這個領域中，機器手臂路徑規劃軟體的發展至關重要，不僅能提高效率，還能確保工作場景的安全性。未來的機器手臂路徑規劃軟體將朝著智能化、人機協作、協同操作、即時性和整合性的方向不斷演進。
二、系統模擬可以加速研發機器手臂
本文將介紹 Altair 系統模擬軟體 Altair Activate，並示範如何使用它來控制多體機構的運動模型。透過 PID 控制器，我們可以監測和控制路徑，確保實際運行路徑（轉軸角度）與施加的指令曲線趨於一致，同時獲取多體模型所需的轉矩輸入。本文將以機械手臂路徑規劃為例進行詳細說明。
三、使用 Altair MotionView 設置多體運動模型
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 ) 、約束 ( Joint ) 、運動控制 ( Motion ) 等，有了這些系統即可完成機械手臂的路徑運動。
然後再進一步設定控制參數、輸入及輸出參數，以及 Force 指令讀取輸入的轉矩力量值施加在旋轉軸上。
選擇 Motions 施加機械手臂的強制角度位移控制
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，精準的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一樣。
在此範例中我們需要四個 Motion 控制四個旋轉軸如下圖所示，設定完後可以點擊 Run ，計算得到機械手臂運動路徑。
選擇 Solver Variable 進行機械手臂控制路徑的參數設定
為了要利用 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角度 - Angle ，轉軸角速度 - Rate ，以及轉軸的角度控制指令曲線 - Order ，輸入參數為施加於轉軸的轉矩值 - Torque 。
選擇 Forces 設置機械手臂的力量控制
設置 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轉矩控制 - Force。
設定完後即可把前述的運動控制 ( Motion ) 關掉，轉軸的運動即改為使用 Force 驅動。這裡因為還沒有使用控制模型，直接運行後會看到手臂沒有依照指令路徑運動。
選擇 Solver Array 設置機械手臂的多體模型
有了輸入輸出參數後，還需要設定輸入輸出矩陣，才可以在控制模型中讀取多體模型的輸入值及輸出值。
三、使用 Altair Activate 模擬機械手臂的控制系統
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的多體模型。
設置 PID 控制器及馬達驅動
控制系統兩大主要區塊— PID 控制器及馬達驅動。如下圖左方為輸入參數 ( 角度、角速度及轉軸控制指令 ) ，進入中間 PID 控制器，輸出 dVh 參數給右方馬達驅動器，得到需要輸入的轉矩值 ( Torque )。
設置多體模型信號區塊
Activate 內建立讀取多體模型的工具 ( MotionSolveSignal )，選擇多體模型，指定輸出 mrf 格式後，自動讀取在多體模型中設定的輸入輸出參數。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、角速度及角度指令。
輸出曲線輸出信號
利用 Activate 的繪圖工具 ( Scope ) ，輸出計算過程中的角度、角速度、轉矩曲線。角度及指令曲線繪於同一圖形區塊，可以看到實際角度及指令曲線的吻合程度，透過修改 PID 控制器的 Kp 、 Ki 及 Kd 值，可以得到不同的角度控製曲線，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：
- Kp ：比例控制項，考慮的是當前的誤差
- Ki ：積分控制項，考慮的是過去的誤差
- Kd ：微分控制項，考慮的是未來的誤差
完成機械手臂的計算結果
Activate 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。
讀取計算完後的 h3d 動畫檔案，與初始階段使用 MotionView 設定模型相比，兩者的運動路徑幾乎相符。
軟體簡介：Altair Activate 多學科系統模擬、Altair MotionSolve 機構運動
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