畢業(yè)設(shè)計（論文）機(jī)械臂的運(yùn)動分析和模擬

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1、機(jī)械臂的運(yùn)動分析和模擬 摘 要 本設(shè)計采用在基于Lisp編程語言的CAD下和MATLAB軟件下進(jìn)行的機(jī)械臂的程序化設(shè)計，將機(jī)械臂用CAD的形式繪制出來，并用Lisp語言進(jìn)行編程將Auto CAD和MATLAB軟件相互聯(lián)系使用產(chǎn)生運(yùn)動軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)和速度加速的曲線，便能清晰的將所設(shè)計機(jī)械臂的運(yùn)動形式和運(yùn)動軌跡的合理性表現(xiàn)出來，從而能夠僅僅通過適當(dāng)調(diào)整在Auto CAD中機(jī)械臂的各個構(gòu)件或者運(yùn)動軌跡就能得出設(shè)計者想要的最優(yōu)化設(shè)計，這樣能夠在很大程度上減少我們?nèi)艘ㄙM(fèi)很大精力進(jìn)行大量復(fù)雜的工程計算，大大的提高了工作效率降低工作負(fù)擔(dān)。因此采用此種方法不管是在工程的設(shè)計上還是在大量的技術(shù)計算

2、上發(fā)揮著至關(guān)重要的作用 關(guān)鍵詞：機(jī)械臂， 仿真軟件， 模塊化 Mechanical arms movement analysis and simulation ABSTRACT This design uses a Lisp-based programming language and MATLAB under the CAD software of the robot arm under the procedures of design, the robot arm using CAD Drawing o

3、ut the form, and Lisp programming language and MATLAB will be Auto CAD software contact trajectory coordinates the use of data and accelerate the speed of the curve, can be designed to be a clear movement of the robot arm trajectory forms and demonstrated the reasonableness and thereby be able to ad

4、just only through the appropriate arm of Auto CAD in the various components or trajectory will be able to come to designers want to optimize the design, to a large extent this can reduce our people have to spend a great deal of energy to carry out a large number of complex engineering calculations,

5、a significant increase in the workload and reducing efficiency. Therefore to apply this method, whether in the design of the project or in the calculation of a large number of technology plays a pivotal role KEYWORDS: manipulator, simulation software, modular - 40 - 目 錄 目 錄 摘 要

6、 - 1 - ABSTRACT - 1 - 前 言 - 3 - 第一章 概 述 - 5 - 1.1 AutoCAD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展 - 5 - 1.2 Lisp語言簡介及在仿真方法 - 7 - 1.3 Matlab簡介及仿真應(yīng)用 - 8 - 第二章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 - 9 - 2.1機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的必要性 - 9 - 2.2運(yùn)動分析的目的及基本方法 - 10 - 2.3關(guān)于機(jī)構(gòu)和桿組的基本知識 - 10 - 2.4機(jī)構(gòu)簡圖 - 12- 第三章 基于Lisp-Auto CAD下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)例 - 14 - 3.1平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 - 14 - 3.11

7、運(yùn)動分析的目的 - 14 - 3.12程序說明 - 14 - 3.13模擬結(jié)果及分析 - 14 - 3.2 典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真實(shí)例 - 15 - 第四章 基于Matlab-Auto CAD下的機(jī)械臂仿真 - 16 - 4.1機(jī)器人介紹 - 16 - 4.2機(jī)器人工作原理 - 17 - 4.3機(jī)械臂介紹及運(yùn)動分析 - 19 - 4.31機(jī)械臂介紹 - 19 - 4.32機(jī)械臂的運(yùn)動分析 - 21 - 4.4機(jī)械臂的仿真程序設(shè)計 - 26 - 第五章 機(jī)械臂運(yùn)動實(shí)例 - 28 - 總 結(jié) - 34 - 參 考 文 獻(xiàn) - 35 - 源 程 序 - 36 -

8、前言 前 言 仿真 (simulation) 是利用模型復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或設(shè)計中的系統(tǒng)。又稱模擬。當(dāng)所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實(shí)驗(yàn)的危險性大或需要很長的時間才能了解系統(tǒng)參數(shù)變化所引起的后果時，仿真是一種特別有效的研究手段。 隨著仿真技術(shù)的發(fā)展, 仿真技術(shù)應(yīng)用目的趨于多樣化、全面化。最初仿真技術(shù)是作為對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)的輔助工具而應(yīng)用的, 而后又用于訓(xùn)練目的, 現(xiàn)在仿真系統(tǒng)的應(yīng)用包括: 系統(tǒng)概念研究、系統(tǒng)的可行性研究、系統(tǒng)的分析與設(shè)計、系統(tǒng)開發(fā)、系統(tǒng)測試與評估、系統(tǒng)操作人員的培訓(xùn)、系統(tǒng)預(yù)測、系統(tǒng)的使用與維護(hù)等各個方面。它的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展到

9、軍用以及與國民經(jīng)濟(jì)相關(guān)的各個重要領(lǐng)域。 1. 國內(nèi)外現(xiàn)狀 就國內(nèi)來說，通過幾個五年計劃的努力, 我國仿真技術(shù)得到了快速發(fā)展, 并取得了突破性成果。在國防工業(yè)領(lǐng)域, 建成了不同類型的半實(shí)物仿真系統(tǒng)。半實(shí)物仿真系統(tǒng)的應(yīng)用在國防工業(yè)產(chǎn)品研制、生產(chǎn)、使用、維護(hù)過程中發(fā)揮了巨大作用。在軍事領(lǐng)域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練的仿真系統(tǒng)及半實(shí)物仿真試驗(yàn)室。仿真技術(shù)的應(yīng)用為我軍部隊指揮、作戰(zhàn)、訓(xùn)練提供了有效的工具, 為我軍現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。在先進(jìn)分布交互仿真技術(shù)方面, 我國初步建成了分布交互綜合仿真系統(tǒng)【2】 。該系統(tǒng)是一個含有靈境技術(shù)的、開放的、支持分布交互仿真的支撐環(huán)境, 支持復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計、運(yùn)行和評估

10、, 并開始應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)的研制和開發(fā)工作。在民用工業(yè)中, 我國已自行研制生產(chǎn)電力工業(yè)的大型電站(200 MW , 300 MW , 600 MW) 仿真系統(tǒng)、交通運(yùn)輸仿真系統(tǒng)、石油化工過程仿真系統(tǒng)等【3】 。我國仿真技術(shù)經(jīng)過“七五”、“八五”、“九五”期間的努力, 已有長足發(fā)展。在某些方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。但總的技術(shù)水平, 特別是應(yīng)用水平與發(fā)達(dá)國家比較還有差距, 需要進(jìn)一步努力, 加速發(fā)展仿真技術(shù)以縮小差距。系統(tǒng)仿真技術(shù)的優(yōu)良特性和巨大效益, 可能將成為今后人們特別重視和大力發(fā)展的綜合技術(shù)。仿真系統(tǒng)將應(yīng)用于人類生產(chǎn)實(shí)踐的全過程, 這樣可以避免決策失誤, 可以預(yù)測可能發(fā)生的問題, 達(dá)到避免故障

11、、安全控制的目的。 現(xiàn)在國外的現(xiàn)狀是以美國為代表的發(fā)達(dá)國家高度重視仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。10 多年來美國國防部一直將仿真和建模技術(shù)列為國防關(guān)鍵技術(shù)。1997 年度的“美國國防技術(shù)領(lǐng)域計劃”, 將建模與仿真列為提高軍事能力的四大支柱(戰(zhàn)備、現(xiàn)代化、部隊結(jié)構(gòu)、支持能力) 的重要技術(shù)。美國三軍先后建成了:為滿足紅外成像制導(dǎo)武器仿真需要的紅外制導(dǎo)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。為滿足雷達(dá)尋的制導(dǎo)的毫米波半實(shí)物仿真系統(tǒng)MSS - 2 , 它是當(dāng)今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的射頻仿真系統(tǒng)?？梢詽M足地空空導(dǎo)彈毫米波精確制導(dǎo)仿真的需要。 目前, 用于愛國者PAC - 2 和PAC- 3 型導(dǎo)引頭半實(shí)物仿真?！?】復(fù)合制導(dǎo)

12、是精確打擊武器裝備的標(biāo)志性發(fā)展,支持復(fù)合制導(dǎo)武器的仿真技術(shù), 成為當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的仿真技術(shù)。美國等西方國家除軍事用途外的其他行業(yè)中的仿真技術(shù)及應(yīng)用都居于世界領(lǐng)先水平, 如飛機(jī)模擬器、車輛運(yùn)輸仿真、電力系統(tǒng)、石化工業(yè)仿真系統(tǒng)等。 2．展望 建模理論和方法, 仍然是推動仿真技術(shù)進(jìn)步發(fā)展的重點(diǎn)研究方向。它是系統(tǒng)仿真可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。美國等發(fā)達(dá)國家在仿真領(lǐng)域一直是將建模理論和方法的研究工作列為重中之重。另外, 無論是武器系統(tǒng)還是工業(yè)系統(tǒng), 都向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展, 相應(yīng)的必須開展支持復(fù)雜大系統(tǒng)建模的理論和方法研究【4】 。 仿真作為一門綜合性科學(xué), 將隨著其相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的深入發(fā)展, 繼續(xù)向縱

13、深快速發(fā)展, 同時將擴(kuò)大其綜合應(yīng)用的領(lǐng)域, 在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。但是, 作為一門綜合性技術(shù)學(xué)科, 仿真技術(shù)還有許多理論及技術(shù)問題需要繼續(xù)進(jìn)行深入的研究探討?！?】 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 第一章 概 述 1.1 AutoCAD技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域與發(fā)展 1.1 1 Auto CAD的發(fā)展史 AutoCAD是由美國Autodesk公司于二十世紀(jì)八十年代初為微機(jī)上應(yīng)用CAD技術(shù)而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經(jīng)過不斷的完美，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。　近20年來，版本不斷更新，功能日益增強(qiáng)，Auto CAD從最初的Auto CAD Vl. 0版本發(fā)展到現(xiàn)今

14、流行的Auto CAD2000，成為集平而作圖、三維實(shí)體、數(shù)據(jù)庫管理、渲染著色、國際互聯(lián)網(wǎng)等功能于一體的強(qiáng)人輔助設(shè)計軟件。它的應(yīng)川與普及覆蓋了機(jī)械、汽車、造船、家電、工程、建筑、輕工、電氣、電力、紡織等許多行業(yè)。從最初的甩圖板工程到應(yīng)用CAD進(jìn)行三維設(shè)計，人們的設(shè)計思維也在發(fā)生著變化。 AutoCAD具有良好的用戶界面，通過交互菜單或命令行方式便可以進(jìn)行各種操作。它的多文檔設(shè)計環(huán)境，讓非計算機(jī)專業(yè)人員也能很快地學(xué)會使用。在不斷實(shí)踐的過程中更好地掌握它的各種應(yīng)用和開發(fā)技巧，從而不斷提高工作效率?！　utoCAD具有廣泛的適應(yīng)性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機(jī)和工作站上運(yùn)行，并支持分辨率

15、由320200到20481024的各種圖形顯示設(shè)備40多種，以及數(shù)字儀和鼠標(biāo)器30多種，繪圖儀和打印機(jī)數(shù)十種，這就為AutoCAD的普及創(chuàng)造了條件。械設(shè)計是生產(chǎn)機(jī)械產(chǎn)品的第一道工序，設(shè)計質(zhì)量的高低，直接影響機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效果，因此，設(shè)計的過程是設(shè)計一評價一再設(shè)計的反復(fù)過程。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計方法，是以實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，依據(jù)力學(xué)和數(shù)學(xué)建立的理論公式和經(jīng)驗(yàn)公式，運(yùn)用數(shù)表、圖形和手冊等技術(shù)資料，進(jìn)行方案擬定、設(shè)計計算、繪圖和編寫設(shè)計說明書。而現(xiàn)代設(shè)計是以產(chǎn)品為總目標(biāo)的一系列種類繁多的現(xiàn)代設(shè)計法和技術(shù)的綜合運(yùn)用。生產(chǎn)技術(shù)的需要和先進(jìn)設(shè)計手段的出現(xiàn)，必然促進(jìn)設(shè)計領(lǐng)域的改革和發(fā)展，對于機(jī)械設(shè)計來說幾乎

16、是更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計方法受到很大沖擊，用科學(xué)的設(shè)計方法代替經(jīng)驗(yàn)的、類比的設(shè)計方法已勢在必行?？s短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量、發(fā)展設(shè)計理論、改進(jìn)設(shè)計技術(shù)及方法已成為當(dāng)前機(jī)械設(shè)計的必然趨勢。 1.1 2 CAD的應(yīng)用與概況 由于計算機(jī)具有運(yùn)算速度快、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、存儲量大和具有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此，它已經(jīng)成為現(xiàn)代工程設(shè)計中分析、計算、綜合、決策、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和與各種現(xiàn)代設(shè)計法結(jié)合的不可替代的重要工具。這種人機(jī)交互式的設(shè)計方法，就是計算機(jī)輔助設(shè)計CAD(computer aided design)。 產(chǎn)品的生產(chǎn)分設(shè)計與制造兩大部分，設(shè)計過程中除了需求分析及可行性研究與分析這兩

17、個環(huán)節(jié)很難用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)外，其余從概念設(shè)計到設(shè)計結(jié)果都可用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了CAD過程。制造過程是指從工藝過程設(shè)計開始，經(jīng)產(chǎn)品裝配直到進(jìn)入市場為止。在這個過程中，工藝設(shè)計以及采用數(shù)控機(jī)床時的加工編程等，從工藝過程設(shè)計到裝配的一系列環(huán)節(jié)同樣也可以用計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，由此構(gòu)成了廣義的CAM過程。在CAM過程中主要包括兩類軟件，一類叫計算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(CAPP：Computer Aided Proess Planning)，另一類叫數(shù)控編程(NCP：NC Programming)。這兩個過程的計算機(jī)化促進(jìn)了設(shè)計與制造自動化的程度。自動化程度的進(jìn)一步提高則有賴于這兩個過程的進(jìn)一步集成。 1.1

18、 3計算機(jī)輔助設(shè)計的軟件系統(tǒng) CAD的軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件三個層次。 a.系統(tǒng)軟件 與硬件和操作系統(tǒng)密切相關(guān)，用于對系統(tǒng)資源的管理，對輸和輸出設(shè)備的控制等。 b.支撐軟件 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)的滿足用戶共同需要的通用軟件或工具軟件，目前市場上所見到的各種商業(yè)化的CAD軟件大多屬于支撐軟件。支撐軟件主要用來實(shí)現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設(shè)計計算和分析等功能。 1.集成化CAD／CAM軟件 集成化CAD／CAM軟件支持二維和三維圖形方式下進(jìn)行產(chǎn)品及其零件的定義。如AutoCAD等。但近年來隨著實(shí)體造型技術(shù)的日趨完善，不少CAD系統(tǒng)轉(zhuǎn)向采用實(shí)體造型技術(shù)來定義產(chǎn)品

19、的幾何模型，進(jìn)行分析、數(shù)控加工、輸出工程圖等。目前較為成熟的CAD／CAM集成系統(tǒng)包括：UG，Pro—Engineer，CATIA，DUCT，CADDS—5等。 2.計算和分析軟件 計算和分析軟件主要用于解決工程設(shè)計中的各種數(shù)值計算和分析。包括：①數(shù)學(xué)計算軟件，如MATLAB、MATHCAD等。②有限元分析軟件，如I—Deas，SAP—5，ADINA，ANSYS等，目前有限元分析的理論和方法已日趨成熟，這些軟件還包含了較強(qiáng)的前、后處理功能。③優(yōu)化設(shè)計軟件，如IBM公司的ODL、我國的OPB—2等。 3.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件 目前流行的數(shù)據(jù)庫管理軟件很多，如FoxPro、Oracle、Ac

20、cess等，它們都屬于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，常用于商業(yè)和事物管理中。適用于CAD工程數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)必須是管理量大、類型及關(guān)系很復(fù)雜的數(shù)據(jù)，且信息模式是動態(tài)的。目前流行的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)很難滿足上述要求。因此，在設(shè)計者要根據(jù)需要選擇和編制適用數(shù)據(jù)庫和接口程序。 1.1 4 CAD的發(fā)展趨勢 進(jìn)入21世紀(jì)，CAD造型技術(shù)在理論上并沒有出現(xiàn)人們期待已久的重大突破，但是在應(yīng)用和實(shí)用技術(shù)方面還是取得了不少的進(jìn)展，這表現(xiàn)在以下幾個方面：圖形交互功能改進(jìn)CAD軟件是產(chǎn)品創(chuàng)新的工具。既為工具，則務(wù)求易學(xué)好用、得心應(yīng)手，形成一個友好的、具有某種智能化的工作環(huán)境。這樣的工作環(huán)境可以開拓使用者的思路，解放其

21、大腦，讓其集中精力于設(shè)計創(chuàng)作，而并非軟件的操作次序或使用規(guī)則。 1.2 Lisp語言簡介及在仿真方法 Autolisp是由Autodesk公司開發(fā)的一種采用Lisp程序語言的編程工具.除了Fortran和Cobol語言，大多數(shù)在6 0年代初期開發(fā)的編程語言都已經(jīng)很少使用了，但Lisp保留了下來，并演變成了一種在人工智（AI）領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位的編程語言Autolisp容許用戶建立新命令來實(shí)現(xiàn)一個或多個功能。例如，程序員可以用Autolisp創(chuàng)建程序包來實(shí)現(xiàn)用位置數(shù)據(jù)自動生成3D輪廓圖，生成3D對象的“展開”的圖案，用一系列尺寸信息繪圖(參數(shù)繪圖)。多年來，用戶用Autolisp來自動地

22、為建筑圖生成樓梯，為機(jī)械圖生成齒輪，以及各種測量圖。使用Autolisp定制的子程可以創(chuàng)建高效的繪圖系統(tǒng)。無論你是繼續(xù)提高你的Lisp編程知識并寫出功能強(qiáng)大的子程，還是僅僅有一個一般的理解并寫出簡單的子程，你都會發(fā)現(xiàn)Autolisp會大大加強(qiáng)你的AutoCAD工作。 1.2 1 Auto CAD二次開發(fā) 1.2 1.1 必要性 AutoCAD所提供的只是一般的通用的CAD功能，如造型、編輯、注釋等。如果不利用AutoCAD開發(fā)系統(tǒng)，要想完成某一具體醒目的設(shè)計，就會顯得較為復(fù)雜。例如，我要設(shè)計一臺活塞式發(fā)動機(jī)，就需要根據(jù)發(fā)動機(jī)功率先手工計算出活塞直徑，然后再調(diào)用AutoCAD的繪圖

23、命令，一筆一筆地繪出發(fā)動機(jī)的圖形。這樣，一旦在設(shè)計完成后，要更改發(fā)動機(jī)的功率，則需要重復(fù)剛才的全部內(nèi)容。如果使用AutoCAD開發(fā)系統(tǒng)，則我們可以將上述計算和繪圖通過高級語言編制相應(yīng)的程序，在需要設(shè)計時，只一個命令便可以運(yùn)行該程序，計算和繪圖過程自動完成。顯而易見，這不僅大大提高了設(shè)計效率，而且通過開發(fā)系統(tǒng)可以定制出某些專業(yè)化模塊，甚至大型設(shè)計繪圖軟件。 1.2 1.2 開發(fā)工具 AutoCAD系統(tǒng)的定制開發(fā)工具，又稱為AutoCAD開發(fā)工具。有時稱作AutoCAD API (Application programming Interface 應(yīng)用編程接口），是將AutoCAD環(huán)境客戶

24、化的基本手段。在AutoCAD2000中，我們使用的開發(fā)工具主要有：ObjectARX、AutoLISP、VisualLISP、Java、VisualBASIC和Delphi等。a) AutoLISP和VisualLISP Visual LISP是一個對使用LISP語言開發(fā)和定制AutoCAD的可視化開發(fā)環(huán)境。它擴(kuò)展和增強(qiáng)了現(xiàn)有的AutoLISP語言，提供了程序的編寫和調(diào)試環(huán)境，可將LISP程序編譯成ObjectARX，大大提高了CAD編程效率和性能，是一個嶄新的一體化可視CAD編程環(huán)境。Visual LISP提供標(biāo)準(zhǔn)Windows安裝界面，安裝方便。 1.3 Matlab簡介及仿真應(yīng)

25、用 MATLAB 是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。 　　MATLAB是矩陣實(shí)驗(yàn)室（Matrix Laboratory）的簡稱，和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學(xué)軟件。它在數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進(jìn)行矩陣運(yùn)算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。 MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣

26、，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完相同的事情簡捷得多，并且mathwork也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點(diǎn),使MATLAB成為一個強(qiáng)大的數(shù)學(xué)軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++ ，JAVA的支持?？梢灾苯诱{(diào)用,用戶也可以將自己編寫的實(shí)用程序?qū)氲組ATLAB函數(shù)庫中方便自己以后調(diào)用，此外許多的MATLAB愛好者都編寫了一些經(jīng)典的程序，用戶可以直接進(jìn)行下載就可以用。 1.3 1發(fā)展歷程 20世紀(jì)70年代，美國新墨西哥大學(xué)計算機(jī)科學(xué)系主任Cleve Moler為了減輕學(xué)生編程的負(fù)擔(dān)，用FORTRA

27、N編寫了最早的MATLAB。1984年由Little、Moler、Steve Bangert合作成立了的MathWorks公司正式把MATLAB推向市場。到20世紀(jì)90年代，MATLAB已成為國際控制界的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件。 1.3 1.1應(yīng)用 MATLAB的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學(xué)等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨(dú)提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴(kuò)展了MATLAB環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。 1.3 1.2 Matlab的特點(diǎn)及優(yōu)勢 　　Matlab主要特點(diǎn)是他可用于技術(shù)計算；此開發(fā)環(huán)境可對代碼

28、、文件和數(shù)據(jù)進(jìn)行管理；交互式工具可以按迭代的方式探查、設(shè)計及求解問題；數(shù)學(xué)函數(shù)可用于線性代數(shù)、統(tǒng)計、傅立葉分析、篩選、優(yōu)化以及數(shù)值積分等；二維和三維圖形函數(shù)可用于可視化數(shù)據(jù)；各種工具可用于構(gòu)建自定義的圖形用戶界面；各種函數(shù)可將基于MATLAB的算法與外部應(yīng)用程序和語言（如 C、C++、Fortran、Java、COM 以及 Microsoft Excel）集成 Matlab的優(yōu)勢主要是友好的工作平臺和編程環(huán)境；簡單易用的程序語言；強(qiáng)大的科學(xué)計算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力；出色的圖形處理功能；應(yīng)用廣泛的模塊集合工具箱；實(shí)用的程序接口和發(fā)布平臺；應(yīng)用軟件開發(fā)（包括用戶界面） 第二章 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分

29、析 2.1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析的必要性 機(jī)構(gòu)學(xué)在廣義上又稱機(jī)構(gòu)和機(jī)器理論(簡稱機(jī)械原理)。18世紀(jì)下半葉第一次工業(yè)革命促進(jìn)了機(jī)械工程學(xué)科的迅速發(fā)展，機(jī)構(gòu)學(xué)在原來的機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展成為一門獨(dú)立的學(xué)科，通過對機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的研究形成了機(jī)構(gòu)學(xué)獨(dú)立的體系和獨(dú)特的研究內(nèi)容，對于18～19世紀(jì)產(chǎn)生的紡織機(jī)械、蒸汽機(jī)及內(nèi)燃機(jī)等的結(jié)構(gòu)和性能的完善起了很大的推動作用。 　現(xiàn)代機(jī)械已大大不同于19世紀(jì)機(jī)械的概念，其特征是具有計算機(jī)信息處理和控制的手段，從而促使機(jī)構(gòu)學(xué)發(fā)生廣泛、深刻的變化。 2.2 運(yùn)動分析的目的及基本方法 2.1 1運(yùn)動分析的目的 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，就是

30、根據(jù)加速度、或角位置、角速度，角加速度等運(yùn)動參數(shù)。其目的在于研究評價機(jī)構(gòu)的運(yùn)動給定的原動件的運(yùn)動規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件的運(yùn)們動，即求出各構(gòu)件的位置、速度、及動力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸?？傊\(yùn)動分析是了解、分析現(xiàn)有機(jī)械或優(yōu)化綜合新機(jī)械的基本手段。 2.1 2運(yùn)動分析的基本方法 運(yùn)動分析，一般來講有圖解法和解析法。圖解法運(yùn)動概念清楚，形象直觀，簡單容易掌握，但是精度要不高，而解析法相對來說精度要求可能以很高，應(yīng)用較廣，但比較抽象（抽象成數(shù)學(xué)關(guān)系或計算機(jī)程序），就解析法而言，由于所用的數(shù)學(xué)工具的不同，又有許多種方法，但其本質(zhì)上，可以分為約束法和桿組

31、法兩大類。 圖解法 用圖解法作機(jī)構(gòu)的位置圖時，主要采用圓弧相交法。由原動件的已知位置開始，按機(jī)構(gòu)的組成順序，逐步按桿組依次確定各個構(gòu)件的位置。 桿組法 根椐機(jī)構(gòu)組成原理，機(jī)構(gòu)可由I級機(jī)構(gòu)加基本桿組組成，當(dāng)給定I級機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律后，機(jī)構(gòu)中各基本桿組的運(yùn)動是確定的、可解的。因此，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析可以從I級機(jī)構(gòu)開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。這樣，把I級機(jī)構(gòu)和各類基本桿組看成是各自獨(dú)立的模塊，分別建立其運(yùn)動分析的數(shù)學(xué)模型并編制程序，對其位置、速度和角速度、加速度和角加速度等運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行求解。對所要進(jìn)行運(yùn)動分析的具體機(jī)構(gòu)，可以通過調(diào)用原動件和機(jī)構(gòu)中所需的基本桿組的運(yùn)動分析模塊來解決，這樣

32、，可快速成求解出各構(gòu)件及其上各點(diǎn)的運(yùn)動參數(shù)。這種方法稱為桿組法。 2.3 關(guān)于機(jī)構(gòu)和桿組的基本知識 一個連桿機(jī)構(gòu)，總可以看成是原動件與自由度為0的構(gòu)件和機(jī)架相連而組成的。原動件與機(jī)架組成的機(jī)構(gòu)稱為I級機(jī)構(gòu)，如電動機(jī)，杠桿機(jī)構(gòu)或斜面機(jī)構(gòu)等；最簡單的、不可再分的自由度為0的構(gòu)件組稱為基本桿組或稱為阿蘇爾組。 平面基本桿組應(yīng)滿足的基本條件為： (2.1) 式中 ——桿組中的構(gòu)件數(shù)目；——桿組中所含的低副數(shù)； ——桿組中所含的高副數(shù)；——桿組的自由度數(shù)。 其基本桿組全由低副所組成，則基本桿組的條件為：

33、 或 (2.2) 由于n和PL都應(yīng)為整數(shù)，故組成基本桿組的條件為： =2, =3; =4, =6,…… (2.3) 最簡單的平面基本桿組是由二個構(gòu)件和三個低副所組成的，稱為II級桿組，它是應(yīng)用得最廣泛的基本桿組。由于平面低副中有回轉(zhuǎn)副（用R表示）和移動副（用P表示）兩種類型，對于由二個構(gòu)件和三個低副組成的II級桿組，根據(jù)R副和P副的數(shù)目和排列順序的不同，它具有表2-1中所示的五種型式。 除II級組外，還有III級、IV級等高級的

34、基本桿組，表2-1中給出了兩種III級桿組和一種IV級桿組，它們都是由4個桿件和6個低副組成的 表2-1 II級及部分III、IV級基本桿組結(jié)構(gòu)型式 桿組中含有構(gòu)件及運(yùn)動副數(shù) 桿 組 型 式 N=2 P=3 二桿三副 （II級桿組） (1)RRR (2)RRP (3)RPR (4)PRP (5)RPP N=4P=6 四桿六副 （部分級桿組） (1)III級桿組 (2)IV級桿組 2.4機(jī)構(gòu)簡圖 2.4 1 DCL對話框 對話框是操作者與計

35、算機(jī)對話的工具，所以是必不可少的，我們的對話框是使用DCL語句所編寫的，在其上可以選擇所要的機(jī)構(gòu)，其界面如圖2-1。 圖2-1 DCL 對話框 2.4 2 常見機(jī)構(gòu)及運(yùn)動曲線圖 機(jī)構(gòu)記過演示能夠得到許多有用的信息，如主要構(gòu)件的位移，速度，加速度等。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機(jī)構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運(yùn)動形態(tài)等。 主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式： 圖2-2為四桿機(jī)構(gòu)及模擬運(yùn)動曲線，用戶通在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式畫好機(jī)構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動生成的機(jī)構(gòu)簡圖并按運(yùn)動參數(shù)動態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動及是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動

36、繪制的搖桿位移s，速度v和加速度a在轉(zhuǎn)動一個周期內(nèi)的化規(guī)律。 圖2-2四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動曲線圖 圖2-3為四桿滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動結(jié)果機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性主要反映搖桿的位移s，速度v和加速度a的變化，調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動特性。 圖2-3 四桿滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線圖 圖2-4 拉包機(jī)構(gòu)的運(yùn)動曲線圖 基于Matlab-AutoCAD下的機(jī)械臂仿真 第三章 基于Lisp-Auto CAD下的機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)例 3.1平面機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析 3.1 1運(yùn)動分析的目的 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析，就是根據(jù)給定的原動件運(yùn)動規(guī)律，求出機(jī)構(gòu)中其它構(gòu)件的運(yùn)動，即求出各構(gòu)件的位置、速度

37、、加速度，或角位置、角速度、角加速度等運(yùn)動參數(shù)。其目的在于研究評價機(jī)構(gòu)的運(yùn)動及動力性能，或求出某些構(gòu)件上特定點(diǎn)的軌跡，以確定機(jī)構(gòu)的行程或外形尺寸。 3.1 2 程序說明 本程序使用AutoCAD的內(nèi)部編程語言AutoLISP編程。它的優(yōu)點(diǎn)是： 1.AutoCAD具有寬松的運(yùn)行環(huán)境和廣泛的用戶群體；有豐富的應(yīng)用軟件供用戶參考或使用；應(yīng)用軟件可以直接在AutoCAD的圖形編輯狀態(tài)下運(yùn)行。產(chǎn)生符合機(jī)械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。 2.具有強(qiáng)大的圖形調(diào)用和編輯功能，各種指令既可以直接鍵入，又可以點(diǎn)菜單。 3.輸入數(shù)據(jù)方便。當(dāng)需要輸入一個點(diǎn)時，既可直接鍵入點(diǎn)的坐標(biāo)，也可以用光標(biāo)給出

38、位置，還可以利用AutoCAD對光標(biāo)的約束功能，捕捉已有實(shí)體上的特殊點(diǎn)；當(dāng)需要輸入一個值時，既可直接鍵入一個值，也可通過橡皮筋的長度給出。 3.1 3 模擬結(jié)果及分析 (a) (b) 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬（圖3-1） 圖3.1為用戶通在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式輸入鉸鏈點(diǎn)A，B，C，D位置坐標(biāo)后，程序自動生成的機(jī)構(gòu)簡圖并按運(yùn)動參數(shù)動態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動。圖(b)是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動繪制的搖桿3的擺角ψ、角速度、角加速度以及傳動角隨曲柄轉(zhuǎn)動一個周期（2π）的變化規(guī)律。 從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)

39、論： （1）：ψ曲線最大值反映搖桿的擺動范圍；對應(yīng)的橫坐標(biāo)可以確定曲柄的極位夾角和機(jī)構(gòu)的行程速比系數(shù)k ≈1.3。 （2）：在曲線中傳動角的變化幅度為（128～58），通過多方案優(yōu)化，可以改變搖桿工作行程的平均傳動角水平，有利于機(jī)構(gòu)的動力特性。 （3）：機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性主要反映搖桿的角速度、角加速度變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動特性。 3.2 典型機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真實(shí)例 3.2 1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真實(shí)例 機(jī)構(gòu)通過演示能夠得到許多有用的信息，如主要構(gòu)件的位移，速度，加速度曲線等。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動形態(tài)和方式，下面為經(jīng)過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以

40、看到機(jī)構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運(yùn)動形態(tài)等。 圖3-2為用戶通在AutoCAD環(huán)境下，通過人機(jī)交互輸入方式畫好機(jī)構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動生成的機(jī)構(gòu)簡圖并按運(yùn)動參數(shù)動態(tài)模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動及是根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動繪制的搖桿位移s，速度v和加速度a在轉(zhuǎn)動一個周期（2π）內(nèi)的化規(guī)律。 圖3-2 四桿機(jī)構(gòu)及模擬運(yùn)動曲線 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性主要反映搖桿的位移s，速度v和加速度a的變化，過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動特性。 上例的四桿機(jī)構(gòu)具有較平穩(wěn)的運(yùn)動特性，急回特性不明顯。 3.2 2 鉸鏈－滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真實(shí)例 圖3-3為鉸鏈－滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動結(jié)果，滑塊C為運(yùn)動輸出構(gòu)件。機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性主要反映搖桿的

41、位移s，速度v和加速度a的變化，過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運(yùn)動特性。 圖3-3 鉸鏈－滑塊機(jī)構(gòu)及其模擬運(yùn)動曲線 第四章 基于Matlab-Auto CAD下的機(jī)械臂仿真 4.1 機(jī)器人介紹 機(jī)器人技術(shù)作為20世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一，自60年代初問世以來，經(jīng)歷40年的發(fā)展已取得長足的進(jìn)步。工業(yè)機(jī)器人在經(jīng)歷了誕生——成長——成熟期后，已成為制造業(yè)中不可少的核心裝備，世界上有約75萬臺工業(yè)機(jī)器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。特種機(jī)器人作為機(jī)器人家族的后起之秀，由于其用途廣泛而大有后來居上之勢，仿人形機(jī)器人、農(nóng)業(yè)

42、機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、娛樂機(jī)器人等各種用途的特種機(jī)器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向?qū)嵱没~進(jìn)。 4.1 1 機(jī)器人的概念 當(dāng)人們一提起機(jī)器人時，便會想起電影里虛擬的智能化機(jī)器人的場景。那么，什么是“機(jī)器人”呢？他主要有以下四種特性： 1.它是一種機(jī)械電子裝置； 2.動作具有類似與人或其他生物體的功能； 3.可通過各種仿真軟件編程來實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能，并有一定通用和靈活的特點(diǎn)； 4.有一定程度的智能，可以獨(dú)自完成一些操作。 4.12機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)器人主要應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的搬用，噴涂，焊接等方面，使我們從繁重的，重復(fù)的，單調(diào)的，有害健康和

43、危險的生產(chǎn)作業(yè)中解脫出來。如今機(jī)器人已逐步進(jìn)入或即將進(jìn)入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。如建筑機(jī)器人可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機(jī)器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機(jī)器人可用于深海探測，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場；此外機(jī)器人還有大量軍事應(yīng)用，個發(fā)達(dá)國家開發(fā)了許多海，陸，空戰(zhàn)用機(jī)器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實(shí)力?？梢哉f，在當(dāng)今世界上，機(jī)器人的應(yīng)用已無處不在。 4.1 3機(jī)器人的發(fā)展及趨勢 世界上第一臺機(jī)器人于1954年誕生于美國，它體現(xiàn)了現(xiàn)代工業(yè)廣泛應(yīng)用機(jī)器人的重要特征。 20世紀(jì)，

44、人類取得了輝煌的成就，從量子理論、相對論的創(chuàng)立，原子能的應(yīng)用，脫氧核糖核酸雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，到信息技術(shù)的騰飛，人類基因組工作草圖的繪就，世界科技發(fā)生了深刻的變革。信息技術(shù)、生物技術(shù)、新材料技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)等都取得了重大突破，極大地提高了社會生產(chǎn)力。 70年代中期，有鑒于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟(jì)潛力和日本在工業(yè)機(jī)器人方面所取得的成就，美國才意識到問題的緊迫性并多方面采取措施。日本的機(jī)器人技術(shù)人員引進(jìn)美國機(jī)器人技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)并在日本迅速將其實(shí)用化。機(jī)器人進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)用化時代，80年代，工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入普及時代，汽車，電子等行業(yè)開始大量使用機(jī)器人，推動了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

45、機(jī)器人研究開發(fā)，無論就水平和規(guī)模而言都得到迅速發(fā)展，高性能機(jī)器人所占比例不斷增加。 近幾十年來，歐洲的德國，意大利，法國及英國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機(jī)器人無論從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢集中在以日美味代表的少數(shù)幾個發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家之中。 機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展，一方面表現(xiàn)在機(jī)器人領(lǐng)域的擴(kuò)大和機(jī)器人種類的增多；另已方面表現(xiàn)在機(jī)器人的智能化。21世紀(jì)，各種智能化機(jī)器人將得到廣泛的應(yīng)用，具有像人的四肢，靈巧的雙手，雙目視覺，力覺感知功能的仿人型智能機(jī)器人將被研制成功。 4.2 機(jī)器人工作原理 一般的說，我們可以定義機(jī)器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代

46、替人進(jìn)行工作的機(jī)器。 根據(jù)以上的定義，機(jī)器人至少應(yīng)該具備兩部分：控制部分和直接進(jìn)行工作的部分，比如應(yīng)用最廣泛的弧焊機(jī)器人，具有控制系統(tǒng)和帶動焊槍運(yùn)動的機(jī)械臂部分，控制系統(tǒng)通過編程的方式，決定直接工作的機(jī)械臂部分的運(yùn)動和任務(wù)，因此，機(jī)器是一種具有“柔性”的機(jī)器。機(jī)器人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運(yùn)動，能在地上行走或者在水中游，高級一點(diǎn)的機(jī)器人可以通過傳感器了解外部環(huán)境或者“身體內(nèi)存在的”狀態(tài)與變化，甚至可以做出自己的邏輯推理，判斷與決策，也就是所謂的機(jī)器人的智能行為。機(jī)器人發(fā)揮作用必須在一個作業(yè)系統(tǒng)之中，由于各種不同類型的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)，他們發(fā)揮作用的形式和組成的系統(tǒng)也在不斷地變

47、化。一個機(jī)器人系統(tǒng)一般由機(jī)械手（執(zhí)行機(jī)構(gòu)），控制器，作業(yè)對象和環(huán)境四部分組成如圖4-1所示： 圖4-1 機(jī)械機(jī)構(gòu)一般是一臺機(jī)械手，有些文獻(xiàn)中稱為操作器活操作手，多說操作手是具有六個自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)，其中三個自由度用來引導(dǎo)末端執(zhí)行器至所需位置，另外三個自由度用來確定末端執(zhí)行裝置的方向。機(jī)械臂上的末端執(zhí)行裝置根據(jù)操作需要也可以換成焊槍、吸盤、扳手等其他工具。環(huán)境是指機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時所能達(dá)到的幾何空間，在它的工作環(huán)境中，機(jī)器人會得到為完成任務(wù)所需的支持，在運(yùn)動空間中，機(jī)器人要設(shè)計好合理的運(yùn)動路線控制器是機(jī)器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負(fù)責(zé)信息處理和人交互，它接受來自傳感器的信號，對其進(jìn)

48、行數(shù)據(jù)處理，并按照預(yù)存的信息；機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)，已完成特定的運(yùn)動。為此控制器內(nèi)必須具有保證它實(shí)現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。機(jī)器系統(tǒng)的復(fù)雜程序不同，能執(zhí)行的任務(wù)不同，控制器內(nèi)所存放的軟件也不同。 4.3 機(jī)械臂介紹及運(yùn)動分析 4.3.1機(jī)械臂介紹 機(jī)械臂定義 機(jī)械臂是一種應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)上的一種簡單的操作機(jī)構(gòu)；在工作中可以按人們的要求完成一些簡單的預(yù)定的任務(wù)或命令；它的方便和快捷性在建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)等重要領(lǐng)域上發(fā)揮著重要作用。 機(jī)械臂的構(gòu)成 一般的機(jī)械臂主要由固定桿件、連接桿件和位移桿及路徑構(gòu)成。 具體

49、構(gòu)成如圖4-2所示： 圖4-2 機(jī)械臂的基本構(gòu)成 構(gòu)件1：固定桿 構(gòu)件2和3：連接桿 構(gòu)件4：位移桿 機(jī)械臂的用途 走進(jìn)21世紀(jì)，社會步入自動化時代，越來越多的人力勞動被機(jī)器所代替，然而，機(jī)械臂的出現(xiàn)為社會的發(fā)展起了巨大的推動的作用。如今機(jī)械臂已逐步進(jìn)入或即將進(jìn)入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域。如建筑機(jī)械臂可用來砌墻，抹水泥地面，安裝天花板，搬用玻璃，預(yù)訂件等特殊材料；農(nóng)，林，牧用機(jī)器人用于種耕，收割，采果，噴灑農(nóng)藥化肥，擠奶等；水下機(jī)器人可用于深海探測，沉船打撈和海洋礦產(chǎn)，漁業(yè)的開發(fā)，建立海上牧場；此外機(jī)械臂還有大量軍事應(yīng)用，個發(fā)達(dá)國家開發(fā)了

50、許多海，陸，空戰(zhàn)用機(jī)器人，以顯示軍事現(xiàn)代化的實(shí)力。可以說，在當(dāng)今世界上，機(jī)械臂的應(yīng)用已無處不在。 機(jī)械臂的基本原理 矩陣變換 1、對矩陣進(jìn)行一下3種變換，稱之為矩陣初等變換。 （1） 交換矩陣的兩行或兩列； （2） 以一個非零的數(shù)K乘矩陣的某一行或某一列； （3） 把矩陣的某一行（列）的l倍加于另一行（列）上。 2、設(shè) （1）、對A進(jìn)行某種初等變換得到的矩陣，等于用相應(yīng)的m階初等矩陣左乘A （2）、對A進(jìn)行某種初等變換得到的矩陣，等于用相應(yīng)的m階初等矩陣右乘A 現(xiàn)在證明交換A的第i行等于用左乘A。將與表示為

51、 （4.1） 其中 （4.2） 由此可見恰好等于矩陣第i行與第j行互相交換得到的矩陣。 用類似的方法可以證明其他各種交換的情況。 容易驗(yàn)證，初等矩陣都是可逆的，且他們的逆矩陣仍是初等矩陣 （4.3） （4.4）

52、 （4.5） 4.3 2 機(jī)械臂的運(yùn)動分析 機(jī)械臂的運(yùn)動分析是通過桿件與桿件之間的角度和按照運(yùn)動軌跡運(yùn)動點(diǎn)的路程S的變化來反映機(jī)械臂的運(yùn)行狀況，通常用矩陣變換和圖示的方法表示出來。 運(yùn)動分析，一般來講有圖解法和解析法。圖解法主要是用圖示來說明問題，具有概念清楚，形象直觀，簡單容易掌握，而解析法主要是運(yùn)用矩陣變換求出相關(guān)的量，用代數(shù)的方法表示出來 ，不直觀，沒有圖示法表現(xiàn)的一目了然，然而有便于運(yùn)算，精確度高等優(yōu)點(diǎn)。由于解析法表達(dá)不直觀，因此，這里我們運(yùn)用圖示的方法來闡釋機(jī)械臂的運(yùn)動問題。 下面是關(guān)于機(jī)械臂的運(yùn)動分析圖： 圖4-3 機(jī)械臂運(yùn)動分析圖 從上圖4-3中我們可以

53、清晰地看出： 機(jī)械臂的運(yùn)動分析主要表現(xiàn)以下在三個方面 1. 構(gòu)件1和構(gòu)件2之間角度 的運(yùn)動分析； 2. 構(gòu)件2和構(gòu)件2之間角度 的運(yùn)動分析； 3. 路徑上軌跡點(diǎn)運(yùn)動行程S的分析。 下面我們就以運(yùn)動分析圖為例來說明桿2，桿3和桿4的運(yùn)動所對應(yīng)的角度、和路程S的變化規(guī)律 首先，創(chuàng)建一個程序模塊，然后運(yùn)用Lisp語言創(chuàng)建一個機(jī)械臂的模型，使用路徑來捕捉程序模塊，返回Lisp程序中計算數(shù)據(jù)，然后再將程序存入Matlab文件當(dāng)中，Matlab分析并計算模塊，在這當(dāng)中：首先要獲取原始文件，其次，計算各個關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù)在時間變化的條件下的、、S，最后產(chǎn)生運(yùn)動數(shù)據(jù)文件。

54、 圖a為用戶通在Matlab環(huán)境下,運(yùn)行下列程序： figure(1) plot([1:nn],fa2) figure(2) plot((diff(fa2(1:nn-1)))) figure(3) plot(diff(diff(fa2(1:nn-2)))) 產(chǎn)生關(guān)節(jié)1的角位移、速度、加速度曲線，具體如下列各圖所示： 圖a(1) 圖a(1)為機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1在100次的運(yùn)動下的角位移； 圖a（2） 圖a（2）反映了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1在100次的運(yùn)動下的角速度； 圖a(3) 圖a（3）反映了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1在100次的運(yùn)動下的角加速度； 圖b為用戶通在MatLab

55、環(huán)境下,運(yùn)行下列程序 figure(4) plot([1:nn],fa4) figure(5) plot((diff(fa4(1:nn-1)))) figure(6) plot(diff(diff(fa4(1:nn-2)))) 圖b（1） 圖b（1）反映了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2在100次的運(yùn)動下的角位移； 圖b（2） 圖b（2）反映了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2在100次的運(yùn)動下的角速度； 圖b（3） 圖b（3）反映了機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2在100次的運(yùn)動下的角加速度 圖c為用戶通在MatLab環(huán)境下,運(yùn)行下列程序 figure(7) plot([1:nn],dist) figu

56、re(8) plot((diff(dist(1:nn-1)))) figure(9) plot(diff(diff(dist(1:nn-2)))) 圖c(1) 圖c(1)反映了機(jī)械臂的在軌跡曲線上100次的運(yùn)動下的路程； 圖c(2) 圖c(2)反映了機(jī)械臂的在軌跡曲線上100次的運(yùn)動下的速度； 圖c(3) 圖c(3)反映了機(jī)械臂的在軌跡曲線上100次的運(yùn)動下的加速度。 綜上所述：圖示表明 （1）、圖a、b、c分別反映了機(jī)械臂在100次運(yùn)動下關(guān)節(jié)1、2的角位移、角速度和角加速度以及機(jī)械臂在路徑上運(yùn)動的行程、速度和加速度； （2）、通過圖示可以

57、判斷機(jī)械臂是否運(yùn)行流暢，是否存在集中點(diǎn)； （3）、針對集中點(diǎn)，可以更方便地確定解決方案。 4.4 機(jī)械臂的仿真程序設(shè)計 創(chuàng)建機(jī)械臂模塊的基本程序流程如下所示： 1、 建立主程序 （1）、機(jī)械臂裝配 （2）、獲取原始數(shù)據(jù)和位置（坐標(biāo)和路徑） 2、將數(shù)據(jù)通過接口程序存為Lisp文本文件并計算處理數(shù)據(jù) 3、將數(shù)據(jù)存入Matlab文件，計算位置和角度，然后再有接口程序傳遞給CAD下的lLisp程序文件當(dāng)中 （1）、獲取原始文件 （2）、計算各個關(guān)節(jié)運(yùn)動參數(shù) （3）、產(chǎn)生運(yùn)動數(shù)據(jù)文件 4、CAD讀取Lisp程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動的仿真 具

58、體創(chuàng)建流程如下： 首先，a：主程序，在CAD環(huán)境下打開一個已經(jīng)編好的機(jī)械臂模塊的Lisp 程序，然后加載裝配機(jī)械臂的Lisp程序，依次創(chuàng)建各個桿件，并把它們以 圓心為連接點(diǎn)將他們連接起來； 圖4-3 圖4-4 b：在CAD環(huán)境下創(chuàng)建路徑來捕捉模塊； 圖4-5 c：產(chǎn)生原始數(shù)據(jù)文件 1、 機(jī)械臂運(yùn)行100次時每次的運(yùn)行的坐標(biāo)位置； 2、 路徑的坐標(biāo)以及各桿件端點(diǎn)的坐標(biāo)和桿件2、3的長度； Path（路徑）： 484.086 -295.472 558.531 -127.195 464.56 67.9101 各桿件端點(diǎn)中心坐標(biāo)以及桿2、3的長度：

59、 48.4211 -138.004 212.701 -138.004 452.355 -138.004 164.28 239.654 其次，通過接口程序存為Lisp文本文件，在文件中處理模塊 再次，Latlab調(diào)用子程序文件，計算、和S，并產(chǎn)生數(shù)據(jù)文件 最后，執(zhí)行Lisp程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動仿真。如圖4-6所示： 圖4-6機(jī)械臂的運(yùn)動仿真 機(jī)械臂運(yùn)動實(shí)例 第五章 械臂運(yùn)動實(shí)例 我們在日常生活中見到到得一般機(jī)械臂，譬如：應(yīng)用于刷墻的刷墻機(jī)械臂，應(yīng)用于刷漆的噴漆機(jī)械臂，還有應(yīng)用于焊接的焊接機(jī)械臂等等。 機(jī)械臂的一般結(jié)構(gòu)如圖5-1所示： 圖5-1 機(jī)

60、械臂的主要構(gòu)成 下面我們就以圖5-1的基本結(jié)構(gòu)，以應(yīng)用于刷墻的刷墻機(jī)械臂為例，簡單地介紹一下它的工作過程。 第一步：CAD創(chuàng)建機(jī)械臂的基本模型，產(chǎn)生Lisp原始數(shù)據(jù)文件以文本格式存入記事本中；具體如圖5-2所示： （1）、模型建好以后，加載程序文件rb1； 圖5-2 加載Lisp 程序文件 （2）、在CAD環(huán)境下鍵入Lisp程序的相應(yīng)指令，依次插入構(gòu)件一、二、三、四桿件，如上節(jié)圖4-3所示； （3）然后將他們以各關(guān)節(jié)的圓心連接到一起，完成機(jī)械臂模塊的創(chuàng)建； 圖5-3 路徑的創(chuàng)建 第二步：利用接口程序轉(zhuǎn)為Matlab語言傳遞到Matlab中產(chǎn)生Matlab文件； 圖5

61、-4產(chǎn)生matlab程序文件 第三步：運(yùn)行Matlab程序文件，Matlab在程序的命令下計算機(jī)械臂的基本運(yùn)動參數(shù)、、S，產(chǎn)生Lisp運(yùn)行數(shù)據(jù)文件；具體如下： （1）、運(yùn)行plot.dist指令，依次產(chǎn)生關(guān)于關(guān)節(jié)1和2的角度、的位移，速度和加速度以及軌跡點(diǎn)的相對位移，速度和加速度；具體程序如下所示： figure(1) plot([1:nn],fa2) figure(2) plot((diff(fa2(1:nn-1))))

62、 figure(3) plot(diff(diff(fa2(1:nn-2)))) figure(4) plot([1:nn],fa4) figure(5) plot((diff(fa4(1:nn-1)))) figure(6) plot(diff(diff(fa4(1:nn-2)))) figure(7) plot([1:nn],dist) figure(8) plot((diff(dist(1:nn-1)))) figure(9) plot(diff(diff(dist(1:n

63、n-2)))) （2）、產(chǎn)生Lisp運(yùn)動數(shù)據(jù)文件，存于記事本當(dāng)中； 第四步：產(chǎn)生Lisp運(yùn)動數(shù)據(jù)文件，存于記事本當(dāng)中；具體見附錄（源程序）再次利用接口程序?qū)isp運(yùn)動數(shù)據(jù)文件傳遞給CAD。 第五步：在CAD環(huán)境下，鍵入Lisp數(shù)據(jù)文件的相應(yīng)指令，運(yùn)行Lisp程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動模擬，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂按軌跡運(yùn)動的動畫效果。 圖5-5 CAD環(huán)境下的機(jī)械臂仿真 我們利用matlab語言和lisp程序之間的相互調(diào)用關(guān)系，可以設(shè)計合理的路線來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的良好運(yùn)行，因而，可以在原路徑的基礎(chǔ)上改變路徑的形狀，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的穩(wěn)定運(yùn)行。 所以，我們現(xiàn)在CAD里面建好機(jī)械臂模型，通過接口程序和ma

64、tlab語言之間的相互傳遞和計算，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在CAD環(huán)境下運(yùn)行matlab計算獲得的數(shù)據(jù)通過接口程序傳遞給lisp文本文件的程序的運(yùn)動模擬。 下面我們可以再舉一個例子來說明上面的結(jié)論： 首先，在CAD環(huán)境里創(chuàng)建機(jī)械臂模型，打開機(jī)械臂原始文件，并加載主調(diào)程序，創(chuàng)建好機(jī)械臂模型后并組合完了以后，在原路徑的基礎(chǔ)上修改路徑； 圖5-6 修改機(jī)械臂路徑 其次，機(jī)械臂模型數(shù)據(jù)被存放到文本文件當(dāng)中，并進(jìn)行模塊處理； 再此，通過接口程序，再把機(jī)械臂模型的相應(yīng)程序和數(shù)據(jù)傳給matlab軟件語言，產(chǎn)生matlab語言程序；如圖5-4所示： 然后，（1）matlab軟件運(yùn)行程序，計算各個關(guān)節(jié)

65、的位置坐標(biāo)和角位移，角速度，角加速度和位移桿的相對于路徑的位移，速度和加速度，并產(chǎn)生各個關(guān)節(jié)和位移桿的各自參數(shù)的運(yùn)動曲線圖； （1）、運(yùn)行plot.dist指令，依次產(chǎn)生關(guān)于關(guān)節(jié)1和2的角度、的位移，速度和加速度以及軌跡點(diǎn)的相對位移，速度和加速度；具體程序如下所示： figure(1) plot([1:nn],fa2) figure(2) plot((diff(fa2(1:nn-1)))) figure

66、(3) plot(diff(diff(fa2(1:nn-2)))) figure(4) plot([1:nn],fa4) figure(5) plot((diff(fa4(1:nn-1)))) figure(6) plot(diff(diff(fa4(1:nn-2)))) figure(7) plot([1:nn],dist) figure(8) plot((diff(dist(1:nn-1)))) figure(9) plot(diff(diff(dist(1:nn-2)))) （2）matlab運(yùn)行過后產(chǎn)生Lisp運(yùn)動數(shù)據(jù)文件，存于記事本當(dāng)中；具體見附錄（源程序）再次利用接口程序?qū)isp運(yùn)動數(shù)據(jù)文件傳遞給CAD。 最后，在CAD環(huán)境下運(yùn)行l(wèi)isp文本文件的程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動仿真，通過模擬，可以一目了然的看出機(jī)械臂的運(yùn)行狀況，合適就采用此路徑應(yīng)用于刷墻或以路徑為準(zhǔn)的曲線弧焊接等，不合適的話，可以繼續(xù)修改路徑以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂應(yīng)用于實(shí)際的良好運(yùn)行。 圖5-7 機(jī)械臂相對不同路徑的模擬 總 結(jié) 總