【正文】 程序包來實現(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 )。使用 Autolisp定制的子程可以創(chuàng)建高效的繪圖系統(tǒng)。 1 Auto CAD 二次開發(fā) 必要性 機構(gòu)運動分析 7 AutoCAD 所提供的只是一般的通用的 CAD 功能，如造型、編輯、注釋等。例如，我要設(shè)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(diào)用 AutoCAD 的繪圖命令，一筆一 筆地繪出發(fā)動機的圖形。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行該程序，計算和繪圖過程自動完成。 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。在 AutoCAD2021 中，我們使用的開發(fā)工具主要有：ObjectARX、 AutoLISP、 VisualLISP、 Java、 VisualBASIC 和 Delphi 等。它擴展和增強了現(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。 Matlab 簡介及仿真應(yīng)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。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 的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用機構(gòu)運動分析 8 的形式十分相似，故用 MATLAB 來解算問題要比用 C， FORTRAN 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 ,使 MATLAB 成為一個強大的數(shù)學(xué)軟件。可以直接調(diào)用 ,用戶也可以將自己編寫的實用程序?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，用戶可以直接進行下載就可以用。 1984 年由 Little、 Moler、 Steve Bangert 合作成立了的 MathWorks 公司正式把 MATLAB 推向市場。 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。 Matlab 的特點及優(yōu)勢 Matlab 主要 特點是 他 可用于技術(shù)計算 ； 此 開發(fā)環(huán)境可對代碼、文件和數(shù)據(jù)進行管理 ； 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 ；強大的科學(xué)計算機數(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） 機構(gòu)運動分析 9 第二章 機構(gòu)運動分析 機構(gòu)運動分析的必要性 機構(gòu)學(xué)在廣義上又 稱 機構(gòu)和機器理論 (簡稱機械原理 )。 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(gòu)學(xué)發(fā)生廣泛、深刻的變化。其目的在于研究評價機構(gòu)的運動 給定的原動件 的 運動規(guī)律，求出機構(gòu)中其它構(gòu)件的運 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)件上特定點的軌跡，以確定機構(gòu)的行程或外形尺寸。 2 運動分析的基本方法 運動分析，一般來講有圖解法和 解析法。 圖解法 用圖解法作機構(gòu)的位置圖時，主要采用圓弧相交法。 桿組法 根椐機構(gòu)組成原理，機構(gòu)可由 I 級機構(gòu) 加 基本桿組組成，當給定 I級機構(gòu)的運動規(guī)律后，機構(gòu)中各基本桿組的運動是確定的 、可解的。這樣，把 I機構(gòu)運動分析 10 級機構(gòu)和各類基本桿組看成是各自獨立的模塊，分別建立其運動分析的數(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動參數(shù)進行求解。這種方法稱為桿組法。原動件與機架 組成的機構(gòu)稱為 I 級機構(gòu)，如電動機，杠桿機構(gòu)或斜面機構(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。 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(yīng)為整數(shù)，故組成基本桿組的條件為： n =2, LP =3。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 21 中所示的五種型式。 機構(gòu)運動分析 12 圖 21 DCL 對話框 2 常見機構(gòu)及運動曲線圖 機構(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。 主要有以下幾 種結(jié)構(gòu)形式： 圖 22 為四桿機構(gòu)及模擬運動曲線，用戶通在 AutoCAD 環(huán)境下，通過人機交互輸入方式畫好機構(gòu)并調(diào)用程序后，程序自動生成的機構(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動及是根據(jù)機構(gòu)運動繪制的搖桿位移 s，速度 v 和加速度 a 在轉(zhuǎn)動一個周期 ? ?2? 內(nèi)的化規(guī)律 。 機構(gòu)運動分析 13 圖 23 四桿滑塊機構(gòu)的運動曲線圖 圖 24 拉包機構(gòu)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(gòu)運動實例 平面機構(gòu)運動分析 1 運動分析的目的 機構(gòu)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(gòu)中其它構(gòu)件的運動，即求出各構(gòu)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)。 2 程序說明 本程序使用 AutoCAD 的內(nèi)部編程語言 AutoLISP 編程。產(chǎn)生符合機械制圖規(guī)范的圖形或圖形文件。 。 3 模擬結(jié)果及分析 (a) (b) 曲柄搖桿機構(gòu)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(gòu)簡圖并按運動參數(shù)動態(tài)模擬機構(gòu)運動。 從模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論 ： （ 1）： ψ 曲線最大 max? 值反映搖桿的擺動范圍；對應(yīng)的橫坐標可以確定曲柄的極位夾角 ? 和機構(gòu)的行程速比系數(shù) k ≈?！?58176。 （ 3）： 機構(gòu)的運動特性主要反映搖桿的角速度 3? 、角加速度 3? 變化，通過調(diào)整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。我們能從這些數(shù)據(jù)中得到機構(gòu)的運動形態(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構(gòu)的形態(tài)，主要構(gòu)件的運動形態(tài)等。 圖 32 四桿機構(gòu)及模擬運動曲線 機構(gòu)的運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)基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 16 整幾何參數(shù)，可獲得不同的運動特性。 2 鉸鏈－滑塊機構(gòu)的運動仿真實例 圖 33 為鉸鏈－滑塊機構(gòu)及其模擬運動結(jié)果， 滑塊 C 為運動輸出構(gòu)件。 圖 33 鉸鏈－滑塊機構(gòu)及其模擬 運動曲線 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真 17 第四章 基于 MatlabAuto CAD 下的機械臂仿真 機器人介紹 機器人技術(shù)作為 20 世紀人類最偉大的發(fā)明之一，自 60 年代初問世以來，經(jīng)歷 40 年的發(fā)展已取得長足的進步。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(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)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?qū)嵱没~進。那么，什么是“機器人”呢？他主要有以下四種特性： ； ； ，并有一定通用和靈活的特點； ，可以獨自完成一些操作。如今機器人已逐步進入或即將進入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域?？梢哉f，在當今世界上，機器人的應(yīng)用已無處不在。 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(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。 70 年代中期，有鑒于機器人技術(shù)發(fā)展，經(jīng)濟潛力和日本在工業(yè)機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。機器人進入工業(yè)生產(chǎn)的實用化時代， 80 年代，工業(yè)機器人進入普及時代，汽車，電子等行業(yè)開始大量使用機器人，推動了機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 近幾十年來，歐洲的德國，意大利，法國及英國的機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。 機器人的技術(shù)發(fā)展，一方面表現(xiàn)在機器人領(lǐng)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。 機器人工作原理 一般的說，我們可以定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進行工作的機器。機器 人具有人或者生物的某些功能，比如能如手臂一樣運動，能在地上行走或者在水中游，高級一點的機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，也就是所謂的機器人的智能行為。一個機器人系 統(tǒng)一般由機械手（執(zhí)行機構(gòu)），控制器，作業(yè)對象和環(huán)境四部分組成如 圖 41 所示： 圖 41 機械機構(gòu)一般 是 一臺機械手，有些文獻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。環(huán)境是指機器人在執(zhí)行任務(wù)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(wù)所需的支持，在運動空間中，機器人要設(shè)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(zé)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(yù)存的信息；機器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等，產(chǎn)生控制信號去驅(qū)動機器人執(zhí)行機構(gòu)的各個關(guān)節(jié) ，已完成特定的運動。機器系統(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。 機械臂的構(gòu)成 一般的機械臂主要由 固定桿件 、 連接桿件 和 位移 桿及路徑 構(gòu)成 。如今機械臂已逐步進入或即將進入人們生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域?？梢哉f，在當今世界上，機械臂的應(yīng)用已無處不在。 （ 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。將 mnA? 與 mI 表示為 1122,iljjmmAAAAIAA??????? ???? ???? ???? ???? ???? ?????? ???? ???? ???? ???? ???????? （ ） 其中 12()k k k mA a a a? ( 1, 2, 3, , ),km? (00 1 0)k? ? ( 1, 2,3, , )km? 1 1 12 2 2()...*..i i im ijj j jm m mAAAAAAI A AAAAA??????????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? （ ） 由此可見 ()mijIA? 恰好等于矩陣第 i 行與第 j 行互相交換得到的矩陣。 容易驗證，初等矩陣都是可逆的，且他們的逆矩陣仍是初等矩陣 基于 MatlabAutoCAD 下的機械臂仿真