基于MWORKS仿真平台的独居老人桌面辅助机械臂数字化建模

获奖团队介绍

学校：湖南科技职业学院
指导老师：段班祥
团队成员：王筠雅、王泳棋、叶珊珊

1. 案例背景

我国60岁以上人口已超3.2亿，独居老人因肌肉力量衰退、反应迟缓，日常取用水杯、药盒等桌面物品时易发生跌倒或烫伤。传统工业机械臂动作快、刚度大，缺乏柔顺安全机制，直接应用于老人辅助存在安全隐患。本作品基于MWORKS平台，构建了一套面向独居老人的桌面辅助机械臂数字孪生系统，通过多学科融合建模与适老化控制算法，实现“安全、平稳、便捷”的辅助抓取，为老年辅助器具的数字化快速迭代提供技术范式。

2. 技术路线

多学科统一建模：基于Modelica标准库，在MWORKS.Sysplorer中构建机械多体（四自由度串联机构）、电气驱动（直流伺服电机等效模型）与控制系统（PID+前馈+阻尼）的耦合数字样机。
柔顺复合控制：采用“分级阻尼（肩/肘0.5、腕/爪0.05 N·m·s/rad）+ 惯性前馈补偿 + 精细化力矩限幅”架构，实现大臂沉稳、末端柔顺。
低速平稳轨迹：通过Python预计算S曲线（七段式）轨迹数据，导入TimeTable模块，消除启动冲击与末端晃动。
虚拟实验验证：设计正常、扰动、安全验证三类工况，从运动精度、动态性能、安全性能等五维度量化评估。

3. 文件结构

项目根目录/
├── 仿真分析报告.pdf               # 完整技术报告（含机理、算法、仿真结果）
├── 演示视频/                      # 系统运行演示（如有）
├── Sysplorer/                     # MWORKS.Sysplorer工程文件夹
│   ├── DesktopRobot.mo            # 主模型：四自由度机械臂数字样机
│   ├── trajectories/              # S曲线轨迹数据文件夹
│   │   ├── shoulder_curve.csv     # 肩关节S曲线（时间,角度）
│   │   ├── elbow_curve.csv        # 肘关节S曲线
│   │   └── wrist_curve.csv        # 腕关节S曲线
│   └── params/                    # 参数配置文件
│       └── pid_params.txt         # PID参数（Kp, Ti, Td）
├── Python/                        # 辅助工具
│   ├── s_curve_gen.py             # S曲线轨迹预生成脚本
│   └── postprocess.py             # 仿真数据后处理与绘图
└── readme.md                      # 本说明文件

4. 环境要求

MWORKS.Sysplorer 2026a (x64) 及以上（支持Modelica 4.0.0）
操作系统：Windows 10/11
（可选）Python 3.7+ 用于轨迹预生成和数据后处理

5. 使用方法

5.1 模型加载与参数配置

打开MWORKS.Sysplorer，加载 Sysplorer/DesktopRobot.mo。
在参数浏览窗口中查看各组件参数：
- 机械参数：连杆长度（大臂0.5m、小臂0.5m）、质量、惯性张量。
- 控制器参数：各关节PID（肩：Kp=28, Ti=10, Td=1.1；肘：Kp=25, Ti=8, Td=0.8；腕：Kp=20, Ti=10, Td=0.05）。
- 阻尼系数：底座0.3，肩/肘0.5，腕/爪0.05 N·m·s/rad。
- 力矩限幅：肩±40 N·m，肘±25 N·m，腕±10 N·m，爪±10 N·m。
（可选）如需修改S曲线轨迹，运行 Python/s_curve_gen.py 生成新的CSV文件，替换 trajectories/ 下对应文件。

5.2 仿真运行

在Sysplorer中设置仿真参数（主菜单→仿真→设置）：
- 起始时间：0 s，终止时间：8 s
- 求解器：Dassl（刚性DAE求解器）
- 步长：0.01 s，容差：1e-4
点击“仿真”按钮运行。
观察三维动画窗口中机械臂执行“抬臂→调整→复位”动作序列（预设了晨间取药场景）。

5.3 结果分析

关节跟踪曲线：双击角度传感器组件查看肩、肘、腕关节的实际角度与期望角度对比。
末端轨迹：通过World框架下的Visualizer观察末端夹爪运动路径。
性能指标：导出仿真数据（.csv），使用 Python/postprocess.py 计算：
- 稳态误差、超调量、调节时间
- 末端定位误差（理论值vs仿真值）
- 夹持力矩稳定性（波动 ≤0.2 N）
日志输出：仿真控制台实时输出各关节力矩是否超限。

5.4 多工况测试

正常工况：直接运行上述设置，验证基础运动精度。
扰动工况：在模型中加入Modelica.Blocks.Sources.Step模块，于2 s时叠加0.1 N·m扰动力矩至肩关节，观察抗扰动能力。
安全验证工况：修改TimeTable轨迹使肩关节期望角度超过1.2 rad（软限位），验证速度降级和紧急制动逻辑。

6. 注意事项

模型采用高保真力矩源+阻尼器等效直流伺服电机动态（电气时间常数0.008 s），如需完整机电耦合模型（含电枢电感、反电动势），可参考报告3.2节自行扩展。
夹爪开合采用对称位置控制（左爪+θ，右爪-θ），抓取力通过力矩限幅间接控制，未建立精细接触力学模型。
所有仿真参数（质量、阻尼、PID）均记录在params/目录，修改后建议做组件单元测试（报告5.5节）以验证模型一致性。
本作品仅用于非商业学术研究，模型基于Modelica Standard Library 4.0.0开发。

7. 技术支持

完整技术细节、数学推导及25组虚拟实验数据请参阅《仿真分析报告.pdf》。如有疑问，请联系团队成员：王筠雅、王泳棋、叶珊珊（广东科学技术职业学院）。