【正文】 這使我意識到團隊精神不管是在現(xiàn)在還是在將來都是十分重要的 。機械臂模擬 是 建立在機器人的基礎之上，以矩陣為基本單位，利用矩 陣變換的基本原理， 通過程序模塊設計， 利用 接口程序 ，使 lisp和 matlab 之間 產生 互通關系， 使機械臂的運動模擬的過程更加方便。 機械臂的一般結構如圖 51 所示： 圖 51 機械臂的主要構成 下面我們就 以 圖 51 的基本 結構，以應用于刷墻的刷墻機械臂為例，簡單地介紹一下 它 的工作過程。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，而解析法主要是運用矩陣變換求出相關的量，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 有便于運算，精確度高等優(yōu)點?？梢哉f，在當今世界上，機械臂的應用已無處不在。環(huán)境是指機器人在執(zhí)行任務時所能達到的幾何空間，在它的工作環(huán)境中，機器人會得到為完成任務所需的支持，在運動空間中，機器人要設計好合理的運動路線控制器是機器人系統(tǒng)的指揮中樞，并且負責信息處理和人交互，它接受來自傳感器的信號，對其進行數(shù)據(jù)處理，并按照預存的信息；機器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產生控制信號去驅動機器人執(zhí)行機構的各個關節(jié) ，已完成特定的運動。 機器人的技術發(fā)展，一方面表現(xiàn)在機器人領域的擴大和機器人種類的增多；另已方面表現(xiàn) 在機器人的智能化。 20 世紀，人類取得了輝煌的成就，從量子理論、相對論的創(chuàng)立，原子能的應用，脫氧核糖核酸雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)，到信息技術的騰飛，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。特種機器人作為機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，仿人形機器人、農業(yè)機器人、服務機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、娛樂機器 人等各種用途的特種機器人紛紛面世，而且正以飛快的速度向實用化邁進。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機構的運動形態(tài)和方式，下面為經過演示所得的圖形，在這些圖形中我們可以看到機構的形態(tài)，主要構件的運動形態(tài)等。 3 模擬結果及分析 (a) (b) 曲柄搖桿機構的運動模擬（圖 31） 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 15 圖 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式輸入鉸鏈點 A，B， C， D 位置坐標后，程序自動生成的機構簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構運動。 機構運動分析 13 圖 23 四桿滑塊機構的運動曲線圖 圖 24 拉包機構的運動曲線圖 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 14 第三章 基于 LispAuto CAD 下的機構運動實例 平面機構運動分析 1 運動分析的目的 機構的運動分析，就是根據(jù)給定的原動件運動規(guī)律，求出機構中其它構件的運動，即求出各構件的位置、速度、加速度，或角位置、角速度、角加速度等運動參數(shù)。 其基本桿組全由低副所組成，則基本桿組的條件為： 3 2 0LF n P? ? ? 或 2/3 LnP? () 由于 n 和 PL 都應為整數(shù)，故組成基本桿組的條件為： n =2, LP =3。 桿組法 根椐機構組成原理，機構可由 I 級機構 加 基本桿組組成，當給定 I級機構的運動規(guī)律后，機構中各基本桿組的運動是確定的 、可解的。 現(xiàn)代機械已大大不同于 19 世紀機械的概念，其 特征是具有計算機信息處理和控制的手段，從而促使機構學發(fā)生廣泛、深刻的變化?？梢灾苯诱{用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序導入到MATLAB 函數(shù)庫中方便自己以后調用，此外許多 的 MATLAB 愛好者都編寫了一些經典的程序，用戶可以直接進行下載就可以用。它擴展和增強了現(xiàn)有的 AutoLISP 語言，提供了程序的編寫和調試環(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。例如，我要設計一臺活塞式發(fā)動機，就需要根據(jù)發(fā)動機功率先手工計算出活塞直徑，然后再調用 AutoCAD 的繪圖命令，一筆一 筆地繪出發(fā)動機的圖形。這樣的工作環(huán)境可以開拓使用者的思路，解放其大腦，讓其集中精力于設計創(chuàng)作，而并非軟件的操作次序或使用規(guī)則。② 有限元機構運動分析 6 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的前、后處理功能。 支撐軟件是在系統(tǒng)軟件基礎上開發(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。 產品的生產分設計與制造兩大部分，設計過程中除了需求分析及可行性 研究與分析這兩個環(huán)節(jié)很難用計算機實現(xiàn)外，其余從概念設計到設計結果 都可用計算機實現(xiàn)，從而構成了 CAD 過程。 AutoCAD 具有廣泛的適應性，它可以在各種操作系統(tǒng)支持的微型計算機和工作站上運行，并支持分辨率由 320200 到 20481024 的各種圖形顯示設備 40 多種，以及數(shù)字儀和鼠標器 30 多種，繪圖儀和打印機數(shù)十種，這就為 AutoCAD 的普及創(chuàng)造了條件。但是 , 作為一門綜合性技術學科 , 仿真技術還有許多理論及技術問題需要繼續(xù)進行深入的研究探討 。 目前 , 用于愛國者 PAC 2 和 PAC 3 型導引頭半實物仿真。系統(tǒng)仿真技術的優(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。在軍事領域建立了指揮、作戰(zhàn)、訓練的仿真系統(tǒng)及半實物仿真試驗室。又稱模擬。當所研究的系統(tǒng)造價昂貴、實驗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。仿真技術的應用為我軍部隊指揮、作戰(zhàn)、訓練提供了有效的工具 , 為我軍現(xiàn)代化建設做出了重要貢獻。仿真系統(tǒng)將應用于人類生產實踐的全過程 , 這樣可以避免決策 失誤 , 可以預測可能發(fā)生的問題 , 達到避免故障、安全控制的目的。 【 1】 復合制導是精確打擊武器裝備的標志性發(fā)展 ,支持復合制導武器的仿真技術 , 成為當今最具挑戰(zhàn)性的仿真技術。 【 5】 機構運動分析 4 第一章 概 述 AutoCAD 技術的實際應用領域與發(fā)展 1 Auto CAD 的發(fā)展史 AutoCAD 是由美國 Autodesk 公司于二十世紀八十年代初為微機上應用 CAD 技術而開發(fā)的繪圖程序軟件包，經過不斷的完美，現(xiàn)已經成為國際上廣為流行的繪圖工具。 械設計 是生產機械產品的第一道工序，設計質量的高低，直接影響機械產品的技術水平和經濟效果，因此，設計的過程是設計一評價一再設計的反復過程。制造過程是指從工藝過程設計開始，經產品裝配直到進入市場為止。支撐軟件主要用來實現(xiàn)幾何建模、繪圖、工程設計計算和分析等功能。③優(yōu)化設計軟件，如 IBM 公司的 ODL、我國的 OPB— 2 等。 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）領域居于領先地位的編程語言Autolisp容許用戶建立新命令來實現(xiàn)一個或多個功能。這樣，一旦在設計完成后，要更改發(fā)動機的功率，則需要重復剛才的全部內容。 Visual LISP 提供標準 Windows 安裝界面，安裝方便。 1 發(fā)展歷程 20 世紀 70 年代，美國新墨西哥大學計算機科學系主任 Cleve Moler 為了減輕學生編程的負擔，用 FORTRAN 編寫了最早的 MATLAB。 運動分析的目的及基本方法 1 運動分析的目的 機構的運動分析，就是根據(jù)加速度、或角位置、角速度，角加速度等運動參數(shù)。因此，機構的運動分析可以從 I 級機構開始，通過逐次求解各基本桿組來完成。 n =4, LP =6,…… () 最簡單的平面基本桿組是由二個構件和三個低副所組成的，稱為 II 級桿組，它是應用得最廣泛的基本桿組。其目的在于研究評價機構的運動及動力性能，或求出某些構件上特定點的軌跡，以確定機構的行程或外形尺寸。圖 (b)是根據(jù)機構運動繪制的搖桿 3 的擺角 ψ、角速度 3? 、角加速度 3? 以及傳動角 ? 隨曲柄 ? 轉動一個周期（ 2π）的變化規(guī)律。 圖 32 為用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式畫好機構并調用程序后，程序自動生成的機構簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構運動及是根據(jù)機 構運動繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉動一個周期 （ 2π） 內的化規(guī)律。 1 機器人的概念 當人們一提起機器人時，便會想起電影里虛擬的智能化機器人的場景。信息技術、生物技術、新材料技術、先進制造技術、海洋技術、航空航天技術等都取得了重大突破，極大地提高了社會生產力。 21 世紀，各種智能化機器人將得到廣泛的應用，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器人將被研制成功。為此控制器內必須具有保證它實現(xiàn)其功能所必須的算法與信息。 圖 42 機械臂的基本構成 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 21 機械臂的基本原理 矩陣變換 對矩陣進行一下 3 種變換，稱之為矩陣初等變換。由于解析法表達不直觀，因此，這里我們運用圖示的方法來闡釋機械臂的運動問題。 第一步： CAD 創(chuàng)建機械臂的基本模型，產生 Lisp 原始數(shù)據(jù)文件以文本格式存入記事本中；具體如圖 52 所示： （ 1）、模型建好以后，加載程序文件 rb1； 圖 52 加載 Lisp 程序文件 機械 臂運動實例 31 （ 2）、在 CAD 環(huán)境 下鍵入 Lisp 程序的相應指令，依次插入構件一、二、三、四桿件 ，如上節(jié)圖 43 所示 ； （ 3）然后將他們 以 各關節(jié)的圓心連接到一起，完成機械臂模塊的創(chuàng)建 ； 第二步：利用接口程序轉為 Matlab 語言傳遞到 Matlab 中產生 Matlab 文件； 圖 54產生 matlab 程序文件 第三步：運行 Matlab 程序文件， Matlab 在程序的命令下計算機械臂的基本運動參數(shù) 1? 、 2? 、 S，產生 Lisp 運行數(shù)據(jù)文件；具體如 下： （ 1）、運行 指令，依次產生關于關節(jié) 1 和 2 的角度 1? 、 2? 的位移，速度和加速度以及軌跡點的相對位移，速度和加速度；具體程序如下所示： 圖 53 路徑的創(chuàng)建 機械 臂運動實例 32 figure(1) plot([1:nn],fa2) figure(2) plot((diff(fa2(1:nn1)))) figure(3) plot(diff(diff(fa2(1:nn2)))) figure(4) plot([1:nn],fa4) figure(5) plot((diff(fa4(1:nn1)))) figure(6) plot(diff(diff(fa4(1:nn2)))) figure(7) plot([1:nn],dist) figure(8) plot((diff(dist(1:nn1)))) figure(9) plot(diff(diff(dist(1:nn2)))) （ 2）、產生 Lisp 運動數(shù)據(jù)文件，存于記事本當中； 第四步： 產生 Lisp 運動數(shù)據(jù)文件，存于記事本當中； 具體見附錄（源程序）再次利用接口程序將 Lisp 運動數(shù)據(jù)文件傳遞給 CAD。 機械臂模擬是建立在 matlab 和 lisp 程序上實現(xiàn)運動模擬的， 它 的運動可以通過修改運動軌跡來改善機械臂的運行狀況，避免了大量的語言編程，使得運動模擬更加 快捷 和方便。 畢業(yè)設計使我獲益匪淺，無論是在專業(yè)知識還是在學習能力上都給了我很大的啟發(fā)，是對這三年來學習及應用的最好總結。 設計過程中，在張旦聞老師的耐心指導和大力幫助 下 ，在同學的積極配合下，才使設計得以基本完成。 機械 臂運動實例 35 圖 57 機械臂相對不同路徑的模擬總 結 36 總 結 本論文主要概述了利用 matlab 成語軟件和 lisp 成語語言來實現(xiàn)機械臂運動模擬的整個過程和基本原理。 如圖 46 所示： 圖 46 機械臂的運動仿 真機械 臂運動實例 30 第五章 械臂運動實例 我們在日常生活中見到到得一般