手把手教你学Simulink——基于Simulink的机械臂正运动学仿真建模示例
目录
手把手教你学Simulink——基于Simulink的机械臂正运动学仿真建模示例
一、背景介绍
二、所需工具和环境
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
步骤2：定义机械臂结构
步骤3：添加输入信号
步骤4：连接输入信号到正运动学计算模块
步骤5：设置仿真参数
步骤6：运行仿真并分析结果
四、总结
手把手教你学Simulink——基于Simulink的机械臂正运动学仿真建模示例
机械臂的运动学分析主要包含正运动学与逆运动学两大类。正运动学是通过测量各关节角度来确定末端执行器位置及姿态的过程。本指南旨在指导读者如何利用MATLAB/Simulink软件对简单机械臂进行正运动学建模与仿真。
一、背景介绍
机械臂正运动学概述 ：
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正运动学的核心主要涉及基于每个关节角度值的坐标转换方法（如DH参数法或齐次变换矩阵）来求解末端执行器相对于基座的位置和姿态。
-
在运动学研究中常采用旋转矩阵和平移向量等基本元素，并通过组合形成齐次变换矩阵。
仿真目标 ：
- 设计一个机械臂正运动学模型，并完成其实现工作。
- 当给定机械臂各关节的角度信息后，在系统中能够计算出末端执行器的空间位置坐标及其的姿态参数。
- 针对不同的设定组合进行正运动学分析，并观察机械臂在各个位置时的姿态变化情况。
二、所需工具和环境
为了完成此机械臂正运动学仿真实现，你需要以下工具和环境：
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MATLAB/Simulink 用于构建系统模型并进行模拟运行。
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Robotics System Toolbox 提供了机器人动态行为建模与评估工具。
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MATLAB/Simulink 用于构建系统模型并进行模拟运行。
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Robotics System Toolbox 提供了机器人动态行为建模与评估工具。
确保你已经安装了上述工具箱，并且拥有有效的许可证。
三、步骤详解
步骤1：创建Simulink模型
首先，在MATLAB中启动Simulink并创建一个新的空白模型。
matlab
深色版本
% 创建新的Simulink模型
modelName = 'RoboticArmForwardKinematics';
new_system(modelName);
open_system(modelName);步骤2：定义机械臂结构
假设有一个简单的3自由度（DOF）平面机械臂的所有关节长度分别为 l_1 、 l_2 和 l_3 。
在Simulink环境中，可以通过 MATLAB Function 模块创建自定义函数以求解正运动学方程。
matlab
深色版本
% 添加MATLAB Function模块用于计算正运动学
add_block('simulink/User-Defined Functions/MATLAB Function', [modelName '/Forward_Kinematics']);在 MATLAB Function 模块中输入以下代码来计算正运动学：
matlab
深色版本
function [x, y] = Forward_Kinematics(theta1, theta2, theta3, l1, l2, l3)
% 定义机械臂各段长度
l = [0, l1, l2, l3];
% 初始化位置
x = 0;
y = 0;
% 计算每个关节位置
for i = 1:3
x = x + l(i+1) * cos(sum(theta(1:i)));
y = y + l(i+1) * sin(sum(theta(1:i)));
end
end注意：请根据实际机械臂的结构调整以上代码中的参数和逻辑。
步骤3：添加输入信号
向机械臂各关节的角度输入相应的输入信号序列,这些序列包括恒定值、脉冲信号以及其他类型的动态信号源.
matlab
深色版本
% 添加Constant模块作为关节角度输入
for i = 1:3
add_block('simulink/Sources/Constant', [modelName sprintf('/Joint_Angle_%d', i)]);
set_param([modelName sprintf('/Joint_Angle_%d', i)], 'Value', 'pi/4'); % 设置初始角度值
end
% 添加Constant模块作为连杆长度输入
for i = 1:3
add_block('simulink/Sources/Constant', [modelName sprintf('/Link_Length_%d', i)]);
set_param([modelName sprintf('/Link_Length_%d', i)], 'Value', '1'); % 设置连杆长度
end步骤4：连接输入信号到正运动学计算模块
将关节角度和连杆长度作为输入连接到 MATLAB Function 模块中。
matlab
深色版本
% 连接关节角度和连杆长度到正运动学计算模块
for i = 1:3
add_line(modelName, [modelName sprintf('/Joint_Angle_%d', i)], ...
[modelName '/Forward_Kinematics'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName sprintf('/Link_Length_%d', i)], ...
[modelName '/Forward_Kinematics'], 'autorouting', 'on');
end步骤5：设置仿真参数
根据需要调整仿真时间、求解器类型和其他相关参数。
matlab
深色版本
% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '10'); % 模拟运行时间为10秒
set_param(modelName, 'Solver', 'ode45'); % 使用默认求解器步骤6：运行仿真并分析结果
做完上述步骤后，启动操作界面中的"Run"按钮以进行仿真。监测机械臂末端执行器位置如何随着各关节角度变化而变化，并且能够根据仿真结果进一步优化模型参数或探索其他可能的关节配置方案。
四、总结
按照本指南所介绍的方法，在详细说明了基于Simulink的机械臂正运动学模型的设计过程后，并对其进行了系统地阐述的仿真验证方法
- 背景介绍 ：了解机械臂正运动学的基本工作原理及其在实际中的应用领域。
- 所需工具和环境 ：详细列举进行仿真过程中所需的工具与工作环境。
- 步骤详解 ：从零开始构建一个集成关节角度输入、正运动学计算以及可视化显示的完整系统流程。
- 性能评估 ：通过分析系统的输出曲线来评估机械臂的位置变化情况，并探讨如何根据具体需求调整模型参数。