机电系统仿真论文 机械手臂的仿真adams

机电系统仿真期末论文 班级：        学号：        姓名：      2012－5－12 MATLAB与结构中的矩形计算和Simulink仿真分析 姓名： 班级： 学号： 摘要：对由美国Math Work 公司推出的MATLAB 计算软件在结构方面带来的快捷、方便和高效作了详细的介绍。用具体实例对这个软件在结构矩阵方面的运用作了具体的演算。从而证明了MAT LAB 在结构计算方面的先进和优越。而Simulink是支持连续、离散两种混合线性和非线性系统，也支持具有多种采样速率的多速率系统。 关键字：MATLAB；Simulink；连续；离散 1引言： MATLAB是矩阵实验室( Matrix Laboratory) 的缩写,美国Math Works 公司1984 年正式推向市场。现已成为国际公认最优秀的科学计算与工程分析的高级语言和应用工具。它集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、图形、图像处理于一体,是科技和工程人员难得的实用、高效科学计算和工程分析工具。MATLAB充分体现计算机的先进性,可使科研和工程技术人员从繁重的计算和枯燥的编程中解放出来,使之面向自己的专业方向,真正面向问题, 专注于创造性的工作。在欧美高等院校,MATLAB 已经成为应用线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真高等课程的基本教学工具;成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。据1997 年统计, 世界上已有四十多万用户,涉及科研、工程、机械、化工、医药等领域。在中国也越来越多引起科研和工程人员的重视和关注。 而在MATLAB里Simulink对机器人的动态仿真非常有效果，所以现在大多数人都拿之应用。而D-H法是进行机器人动态仿真分析的普遍方法，在这里讲述的是利用矩形计算的方法和Simulink的仿真对其机器人的动态进行运动分析，在仿真的过程中会和ADAMS仿真的结果进行对比，进一步的验证我们的结果。 2 问题的提出 已知五自由度机器人实物如图所示：    性能参数：自由度：                  5 最大载荷：                1.5kg 手爪所能到达的距离：      500mm 位置重复精度：            ±0.02mm 最大速度：                2.1m/s 控制器：                  CR1 重量：                    17kg 基本结构参数（单位 mm）：  底座：        250*200*180 底部转台：     大臂：350*210  大圆：   小圆： 中臂：      250*180*80 小臂：      100*80*80 手腕：      截面 3 ADAMS的运动仿真结果 将建立好的模型导入到ADAMS后定义运动副和约束，在进行仿真，将仿真结果进行处理，将位移曲线导入到PostProcessor中，将该Marker点在X轴方向和Z轴方向上的位移进行合成，得到虚拟样机的运动轨迹在XZ面上的投影，得出手爪的灵活工作域在XZ面上的投影（如图2、图3、图4）。 图2 机器人执行端在XZ平面上位移分量X的曲线 图3 机器人执行端在XZ平面上位移分量Z的曲线 图 4 机器人末端在XZ平面上最小和最大工作范围轨迹 4 MATLAB 矩阵输入与运算 MATLAB 最基本的功能就是矩阵运算, 因而我们应该首先学会如何输入矩阵。在MAT LAB 中矩阵的输入方法很多, 这里只简单介绍在命令窗口直接输入矩阵的方法。 在MAT LAB 命令窗口中输入矩阵需要遵循以下基本规则: 1) 把矩阵元素列入方括号“[]”中 2) 矩阵每行内的元素间用逗号或空格分开 3) 矩阵的行与行之间用分号隔开, 或者分行输入 例如: 简单矩阵的输入 A= [ 1 2 3；4 5 6；7 8 9] 或A= [ 1, 2, 3； 4, 5, 6； 7, 8, 9] B= [ 4 5 7 8；6 1 2 5；2 5 6 7；8 3 5 6] 或B= [4,5,7,8；6,1,2,5；2,5,6,7；8,3,5,6] 将两个矩阵分别输入后,按回车命令窗口将显示矩阵/A0和/B0的值,同时把它保存在MATLAB 的工作空间中, 直到退出MATLAB或用/clear0命令清除它。 上面两种输入方式的结果是相同的, 如下所示: A=      和    B= 1 2 3            4 5 7 8 4 5 6            6 1 2 5 7 8 9            2 5 6 7 8 3 5 6 其次我们再来讲述矩阵和数组的算术运算。矩阵的算术运算操作是按照线性代数的运算法则定义的;数组运算操作是按元素逐个执行的。在MAT LAB 语言中，算术运算既可以使用运算符，也可以使用等效的算术函数，如1 所示。 5 基于D-H法的Simulink运动学仿真 机器人运动学分析常用的方法是D-H参数法。本次的机器人有五个自由度，绘制机器人零点位置结构简图,各关节固定坐标系如图1所示。表1列出了机器人机构的D-H参数。各杆之间的齐次变换矩阵为Ti-1i,简记为Ti。 表2  D-H参数表 # 关节角 连杆偏距d 连杆长度a 连杆转角 1 L1 0 2 0 L2 0 3 0 L3 0 4 0 L4           表2中,θ为关节变量;α为关节扭角;a为连杆两端关节转轴之间公共法线的长度;d为前、后相邻两X轴的公共法线之间的距离。L4为手腕法兰中心到末端执行器中心的距离,根据安装的手爪不同,其大小也不同。将表1列出的各参数值分别代入Ti表达式中,得到相应的齐次变化矩阵,则从末端执行器到基础坐标系的转换为: 将各参数代入变换矩阵T中： 于是，末端执行器到参考坐标系的变换矩阵为 ，化简后得 于是机械手末端执行器在参考坐标系中的XY坐标为： 6 Siumlink的仿真结果 图5 Siumlink仿真 M文件： function [y] = pxyz(u) l1=0.16;  %杆长l1 l2=0.25;  l3=0.17;  l4=0.1;  u(1)=u(1); %关节theta1角位移信号及初始角度设定 u(2)=u(2)-0.7505; u(3)=u(3)-0.7934; u(4)=u(4)-0.2967; y=[cos(u(1))*(l2*cos(u(2))+l3*cos(u(2)+u(3))+l4*cos(u(2)+u(3)+u(4)));(l2*cos(u(2))+l3*cos(u(2)+u(3))+l4*cos(u(2)+u(3)+u(4)))*sin(u(1))] 图6  Lookup Table模块产生的角位移信号 图7 末端执行器在OXY面上运动范围 7 结束语 从上面一个算例来看,想要用手工来计算简直办不到。但如果用MATLA 来做马上就有结果, 甚至可以将计算的过程通过投映仪在投影幕上显示出来,整个过程非常直观。MATLAB还可以用来做有限元的矩阵运算。另外其图形功能也非常强大,它可以把数据以多种形式加以表现。其数据分析、数字信号处理、时间序列分析,,等等, 在设计、科研、教学和工业部门广泛的用于研究和解决各种具体问题。而且在很多科学书籍中, MAT LAB 是一种标准软件,直接使用MAT LAB 计算和推理结果。在国际科技交流中MATLAB已成为一种通用的格式和语言。世界上已有众多用户。在国内,MAT LAB 也正引起越来越多的科技和工程人员的重视和关注,应用普及迅速。 参考文献： [1]程卫国,冯峰,王雪梅等.MATLAB5.3精要编程及高级应用[M].北京:机械工业出版社,2000. [2]刘真祥,谢旭阳,李程远等.MATLAB及其应用[M].贵阳:贵州科技出版社,1998. [3]崔利杰,龚小平.基于MATLAB 运动仿真的平面多连杆机构优化设计，空军工程大学，2007 [4]焦箭.MATLAB 与结构中的矩阵运算.贵州工业大学土木建筑工程学院.2002 [5]庞淑娟,倪受东. 五自由度教学机器人的运动学分析及仿真. (南京工业大学机械与动力工程学院.2007