基于MATLAB的某型机器人运动学可视化仿真平台实现

基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究一、本文概述随着机器人技术的快速发展，机械臂作为机器人执行机构的重要组成部分，其运动性能和控制精度对于机器人整体性能具有决定性影响。

为了提升机械臂的设计水平和控制性能，研究者们不断探索新的仿真技术。

在此背景下，基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究应运而生，为机械臂的设计优化和控制策略的开发提供了有力支持。

本文旨在探讨基于MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真的方法与技术，并对其进行深入的研究。

介绍了MATLAB和ADAMS软件的特点及其在机械臂仿真中的应用优势。

阐述了机械臂联合仿真的基本原理和步骤，包括模型的建立、动力学方程的求解、控制算法的设计等。

接着，通过实例分析，展示了联合仿真在机械臂运动学性能分析和控制策略验证方面的实际应用。

总结了联合仿真的研究成果，并展望了未来的发展方向。

本文的研究不仅有助于提升机械臂的设计水平和控制性能，也为相关领域的研究者提供了有益的参考和借鉴。

通过不断深入研究和完善联合仿真技术，将为机器人技术的发展注入新的活力。

二、MATLAB与ADAMS联合仿真的理论基础在进行MATLAB与ADAMS的机械臂联合仿真研究时，理解两种软件的理论基础和它们之间的交互方式是至关重要的。

MATLAB作为一种强大的数值计算环境和编程语言，广泛应用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等多个领域。

而ADAMS（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）则是一款专门用于多体动力学仿真的软件，特别适用于复杂机械系统的运动学和动力学分析。

MATLAB与ADAMS的联合仿真理论基础主要包括以下几个方面：接口技术：MATLAB与ADAMS之间的数据交换和通信是联合仿真的核心。

通常，这需要通过特定的接口技术来实现，如ADAMS提供的Control接口或MATLAB的Simulink接口。

基于Matlab/Simulink的飞行器全数字仿真平台的设计摘要：针对飞行仿真的研究通常会忽略仿真模型或平台的通用性、可重性及互操作性等问题，采用对所设计仿真平台的功能进行详细划分和描述，构建总体仿真系统框架的措施来解决这些问题。

首先，在matlab环境下建立飞行器全数字仿真平台，利用该平台可以进行动力学分析、飞行控制系统设计及航迹规划等不同任务。

其次，利用matlab 提供的gui 接口实现人机交互界面的设计的设计。

所设计平台模块的划分相对独立，人机交互界面可修改飞行器的相关信息，具有较强的通用性。

关键词：matlab/simulink gui 飞行控制数字仿真仿真平台中图分类号：v274 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2013）02（c）-00-01飞行器可以被应用于运输、救生、对地观测、空中预警以及通讯中继，因此其在军事和民事领域中都有很大的应用前景。

因此对飞行器进行仿真分析很有必要，同时仿真也是对飞行器的动力学特性分析、控制律设计等工作的重要手段。

matlab作为一种面向科学计算、可视化以及交互式程序设计软件。

它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真集于一身，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案。

simulink是matlab提供的仿真工具，可以方便地进行动态系统建模、仿真、分析等。

该文基于matlab gui建立飞行器的全数字仿真平台。

利用该平台可以快速地进行用飞行器的全数字仿真，根据参数设置的不同进行航迹规划、实时状态参数显示和仿真结果显示等仿真工作。

1 仿真系统框架设计仿真系统可分为导航和控制模块、执行模块、飞行器动力学模块和人机交互界面模块。

其中导航控制模块又分为航迹规划模块、接受指令模块、飞行管理系统、导航系统及控制系统五个子模块，导航子模块把飞行器的状态信息传给飞行管理系统，飞行管理系统根据航迹规划的要求处理后给出模态控制信号从而控制着飞行器的飞行，执行模块由舵机模型组成。

. -计算机辅助设计报告三轮全向移动机器人运动控制仿真202103009004 余广202103009019202103009031 斌人员分工：余广：总体负责，系统理解及控制器设计，PPT制作，后期报告审查及修改斌：PPT制作，报告撰写：资料收集，辅助其余两人完成任务目录一、实验目的3二、实验原理32.1控制对象——三轮全向机器人32.2 控制系统构造4三、实验容53.1电机模型53.1.1物理建模53.1.2 Simulink模块搭建73.1.3无刷直流电机仿真模型的验证103.2运动学模型123.2.1物理建模123.2.2 Simulink模块搭建133.3 路径规划143.4. 传感器设计153.5.控制器设计163.5.1 电机控制器设计163.5.2 运动控制器设计183.6 观测器22四、结果验收234.1 x轴方向的误差244.2 y轴方向的误差244.3 前进方向偏角254.4 速度误差25五、致26六、附录〔路径规划函数〕26一、实验目的（一）建立三轮全向机器人系统的数学模型，然后基于simulink建立该系统的仿真模型并设计控制器，最终满足控制要求；（二）控制的最终目的是使该机器人能够良好跟踪预期的运动轨迹；（三）通过对复杂系统的分析、建模、仿真、验证，全面提高利用计算机对复杂系统进展辅助设计的能力；（四）通过集体作业、分工完成任务的方式培养团队意识，提高团队集体攻关能力二、实验原理2.1控制对象——三轮全向机器人三轮全向移动机器人其驱动轮由三个全向轮组成，径向对称安装，各轮互成120°角，滚柱垂直于各主轮。

三个全向轮的大小和质量完全一样，而且由性能一样的电机驱动。

图1 三轮全向移动机器人2.2 控制系统构造图2基于运动学模型的分层控制框图三、实验容3.1电机模型3.1.1物理建模瑞士的MAXON公司的无刷直流电机建模如下:无刷直流电机的数学模型，其等效电路如下列图所示：根据上图，建立电机数学方程如下： ➢ 瞬态电压方程➢ 电压方程➢ 转矩方程000000a a ab a b ac c u i R u R i R u i ⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦()111a a b nb c c di dt e di L M e u dt e di dt ⎡⎤⎢⎥⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥+-++⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎢⎥⎢⎥⎣⎦1[()()]3n a b c a b c u u u u e e e =++-++a a b b c cem e i e i e i T ++=Ω➢ 运动方程3.1.2 Simulink 模块搭建根据以上数学模型，我们搭建电机的Simulink 模块如下：➢ 电压方程模块➢ 转矩方程模块em L T T B Jp --Ω=Ω➢运动方程模块➢其他必要模块设计反电动势模块逻辑换向模块➢模块组装——电机仿真模型➢驱动电机模块封装3.1.3无刷直流电机仿真模型的验证到此电机的建模就算完成了，但其正确性还需要结果来验证，以下是仿真结果：i.绕组端电压波形：ii.反电动势波形iii.电流波形iv.转速波形根据图像可知，仿真结果跟实际是相吻合的。

基于Matlab的六足机器人优化设计仿真王伟伟;陈锋【摘要】The hexapod robots are highly integrated electromechanical bionic systems, whose dynamic performance is determined by the structure system and the control system. In order to improve the overall dynamic performance of the hexapod robots, the integration of optimized design of the hexapod robot is needed. Design variables, constraints and objective functions involved in the optimization process are discussed based on the geometric characteristics; the integrated optimization model of hexapod robot systems is built. With examples, comparative analysis of simulation results is done. Simulation results illustrate that integrated design can get better dynamic performance for the hexapod robot system.%六足机器人是机电高度集成的仿生系统，它的动态性能由其结构系统与控制系统一起决定。

为了提高六足机器人整体的动态性能，对六足机器人进行集成优化设计。

描述六足机器人系统的结构；根据六足机器人机构的几何特征，讨论在优化过程中涉及到的设计变量、约束方程以及目标函数；对六足机器人系统进行集成优化建模。

倒立摆系统作为一个被控对象具有非线性、强耦合、欠驱动、不稳定等典型特点,因此一直被研究者视为研究控制理论的理想平台,其作为控制实验平台具有简单、便于操作、实验效果直观等诸多优点。

倒立摆具有很多形式,如直线倒立摆、旋转倒立摆、轮式移动倒立摆等等。

其中,旋转倒立摆本体结构仅由旋臂和摆杆组成,具有结构简单、空间布置紧凑的优点,非常适合控制方案的研究,因此得到了研究者们广泛的关注[1-2]。

文献[3]介绍了直线一级倒立摆的建模过程,并基于MATLAB 进行了仿真分析;文献[4]通过建立倒立摆的数学模型,采用MATLAB 研究了倒立摆控制算法及仿真。

在倒立摆建模、仿真和研究中大多数研究者常用理论建模方法,也可以利用SimMechanics 搭建三维可视化模型仿真;文献[5]使用SimMechanics 工具箱建立旋转倒立摆物理模型,通过极点配置、PD 控制和基于线性二次型控制实现了倒立摆的平衡控制;文献[6]通过设计的全状态观反馈控制器来实现单极旋转倒立摆SimMechanics 模型控制,表明了SimMechanics 可用于不稳定的非线性系统;文献[7]通过单级倒立摆SimMechanics 仿真,研究了Bang-Bang 控制和LQR 控制对倒立摆的自起摆和平衡控制;文献[8]基于Sim⁃Mechanics 建立了直线六级倒立摆模型,并基于LRQ 设计状态反馈器进行了仿真控制分析。

本文首先采用Lagrange 方法建立了旋转倒立摆的动力学模型,在获得了旋转倒立摆动力学微分方程后建立了s-func⁃tion 仿真模型;然后,本文采用SimMechanics 建立了旋转的可视化动力学模型。

针对两种动力学模型,采用同一个PID 控制器进行了控制,从控制结果可以看出两种模型的响应曲线完全一致,这两种模型相互印证了各自的正确性。

1旋转倒立摆系统的动力学建模旋转倒立摆是由旋臂和摆杆构成的系统,如图1所示,旋臂绕固定中心旋转(角度记为θ)带动摆杆运动,摆杆可以绕旋臂自由转动,角度记为α。

基于matlab的机器人工作空间求解方法机器人工作空间求解的基础是在一个多维空间中根据机器人臂的坐标、参数以及机器人的运动范围，利用数学等方法，找到机器人在给定范围内可实现执行任务的最优解。

一、基本概念：1、机器人工作空间：机器人工作空间指机器人多轴运动系统运动范围，是一个包括机器人参数、机器人操作范围、机器人运动路径等信息的高维空间，主要用于研究和分析机器人的运动学和动力学行为。

2、机器人运动学：机器人运动学主要研究机器人的坐标、参数以及运动范围，包括机器人位置及速度计算，运动路径规划，以及主轴等可控制的量的变化，这些工作需要对机器人参数进行精确建模和仿真，避免机器人工作空间中发生危险或无法完成任务的情况。

二、matlab工具及其原理：在机器人工作空间求解过程中，matlab软件包可以提供专业的解决方案，以实现机器人运动学计算、路径规划以及仿真等任务。

1、 matlab机器人工作空间求解主要分两步：三、matlab机器人工作空间求解的具体步骤：1、配置环境：确保安装matlab软件的环境即R14以上的版本，配置完成后运行matlab中的Robot;2、建立参数文件：建立参数文件是按照机器人运动参数和机器人参数建立相应的参数文件，使用matlab绘制参数曲线，并建立多个机器人支撑工作空间的视图；3、绘制工作空间：可以借助matlab的绘图工具对机器人的工作空间进行绘图，根据绘制的坐标和图形观察机器人的工作空间，采用matlab编程语言根据工作范围编写EOI求解算法；4、机器人求解：调用matlab命令，根据编写的程序和EOI求解算法，实现机器人工作空间的求解，根据求解出来的解决方案，对如何控制机器人采取最佳运动轨迹、最佳控制机器人的参数进行调整；5、机器人运行：最后，将求解出来的具体方案和机器人的参数设置，调用matlab的求解器运行在机器人中，实现最佳的机器人运动路径。

四、机器人工作空间求解的应用：1、机器人运动学计算：运用机器人工作空间求解可以确定和控制机器人的行走路线和速度，防止机器人发生碰撞，以达到间隔定位，做到准确规划机器人的移动轨迹；。

现代控制系统分析与设计——基于matlab的仿真与实现近年来，随着工业技术的飞速发展，控制系统逐渐成为工业自动化过程中不可缺少的重要组成部分，因此其分析与设计也会受到人们越来越多的关注。

本文从控制系统的分类出发，介绍了基于Matlab 的分析与仿真方法，并结合详细的实例，展示了最新的Matlab软件如何用来设计现代控制系统，及如何实现仿真结果。

一、控制系统分类控制系统是将完整的物理系统划分为几个部分，通过规定条件把这些部分组合起来，共同完成某一特定任务的一种技术。

控制系统可分为离散控制系统和连续控制系统，离散控制系统的尺度以脉冲的形式表现，而连续控制系统的尺度以连续变量的形式表现，常见的连续控制系统有PID、环路反馈控制等。

二、基于Matlab的分析与仿真Matlab是一款实用的高级计算和数学工具，具有智能语言功能和图形用户界面，可以进行复杂数据分析和可视化。

Matlab可以用来开发控制系统分析与仿真，包括：数学建模，系统建模，状态估计与观测，数据处理，控制算法研究，仿真实验及系统原型开发等。

此外，Matlab还可以利用其它技术，比如LabVIEW或者C程序，将仿真结果实现在实物系统上。

三、实现现代控制系统分析与设计基于Matlab的现代控制系统分析与设计，需要从以下几个方面进行考虑。

1.数学建模：Matlab支持多种数学计算，比如代数运算、矩阵运算、曲线拟合等，可以用来建立控制系统的数学模型。

2.系统建模：Matlab可以用于控制系统的建模和仿真，包括并行系统建模、混沌建模、非线性系统建模、时滞建模、系统设计建模等。

3.状态估计与观测：Matlab可以用来计算系统状态变量，并且可以根据测量信号估计系统状态，用于系统诊断和控制。

4.数据处理：Matlab可以用来处理控制系统中的大量数据，可以更好地研究控制系统的特性，以便进行更好的设计和控制。

5.算法研究：Matlab可以用来研究新的控制算法，以改进控制系统的性能。

第18卷第7期系统仿真学报©V ol. 18 No. 7 2006年7月Journal of System Simulation July, 2006基于MATLAB/Simulink机器人鲁棒自适应控制系统仿真研究高道祥，薛定宇（东北大学教育部暨辽宁省流程工业综合自动化重点实验室，沈阳 110004）摘要：介绍了一种在MATLAB/Simulink环境下进行机器人鲁棒自适应控制系统仿真的方法，利用Matlab软件强大的数值运算功能，将系统模型用Matlab语言编写成M-Function（或S-Function）文件，通过User-Defined-Function模块嵌入到Simulink仿真环境中，可以充分发挥Simulink模块实时的动态仿真功能，简化仿真模型的设计，修改和调整。

基于M-Function建立机器人系统模型的方法可以推广到其他复杂控制系统的建模，SimMechanics在建立多自由度连杆机器人受控对象仿真模型时，简单可靠。

关键词：机器人；Matlab/Simulink；SimMechanics；仿真；鲁棒自适应控制中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X(2006) 07-2022-04Simulation Research of Robust Adaptive Control Systemfor Robotic Manipulators Based on MATLAB/SimulinkGAO Dao-xiang, XUE Ding-yü(Key Laboratory of Process Industry Automation, Ministry of Education, Northeast University, Shenyang 110004, China) Abstract: A simulation method of robust adaptive control was proposed for the robotic manipulator system. The method took the advantage of the powerful computing function of Matlab to programme M-function (or S-Function) for the system model by Matlab language and embedded it to the Simulink by User-Defined-Function module. The real time dynamic simulating function of Simulink would be exerted adequately and the design, modification and adjust of the system model could be greatly simplified. The method of constructing manipulator control system model based on M-Function could be generalized to the other complicated control system and SimMechanics would make the n-links manipulator model conveniently and credibly.Key words: robotic manipulator; Matlab/Simulink; SimMechanics; simulation; robust adaptive control引言一个新的控制算法在付诸使用之前，无论从经济原因还是技术角度，都需要经过仿真阶段来测试控制系统的性能和缺陷。

matlab四连杆机器人轨迹代码四连杆机器人是一种常见的机械臂结构，由四个连杆组成，能够进行各种运动和操作。

在机器人控制过程中，轨迹规划是一个重要的任务，它决定了机器人的运动路径和动作。

Matlab是一个功能强大的数学计算软件，它提供了许多工具和函数可以帮助我们实现机器人的轨迹规划。

下面我将介绍如何使用Matlab编写四连杆机器人的轨迹代码。

首先，我们需要定义机器人的几何参数，包括连杆的长度和初始位置。

假设机器人的连杆长度分别为L1、L2、L3、L4，以及初始位置的坐标(x0, y0)。

在Matlab 中，我们可以使用变量来表示这些参数，并进行赋值。

```matlabL1 = ; % 第一根连杆的长度L2 = ; % 第二根连杆的长度L3 = ; % 第三根连杆的长度L4 = ; % 第四根连杆的长度x0 = ; % 初始位置的x坐标y0 = ; % 初始位置的y坐标```接下来，我们可以使用Matlab的函数来计算机器人在不同位置的关节角度。

一个常用的函数是`acos`，它可以计算两个向量之间的夹角。

我们可以根据机器人的几何关系来计算关节角度。

```matlabtheta1 = acos((x^2+y^2+L2^2-L3^2)/(2*L1*sqrt(x^2+y^2))) + atan2(y, x);theta2 = acos((x^2+y^2-L2^2-L3^2)/(2*L2*L3));theta3 = pi - acos((x^2+y^2-L2^2-L3^2)/(2*L2*L3));theta4 = atan2((y-L2*sin(theta2)-L3*sin(theta3)), (x-L2*cos(theta2)-L3*cos(theta3)));```在计算关节角度之后，我们可以使用三次样条插值方法来生成机器人的轨迹。

三次样条插值是一种常用的插值方法，可以根据已知的数据点来生成平滑的曲线。