兩關節機械手的MATLAB仿真

摘 要：機械手的研究一直很受人們關注，通過對兩關節機械手控制原理的研究，依據模型兩關節機械手的力學模型和動態模型，使用MATLAB對其進行了控制仿真。結果驗證了，該模型能有效的克服機器人系統中的不確定因素的影響，提高系統對各種擾動、非線性因素的適應能力。該模型具有良好的穩定性，能實現機械手的位置和速度精確的控制。

關鍵詞：機械手；MATLAB仿真；控制

機械手是一種模擬人手操作的自動機械。它可按固定程序抓取、搬運物件或操持工具完成某些特定操作。廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和要求有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式稱為機械手的自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

1 仿真流程

本文主要用S函數編寫程序來實現一個非線性系統的控制仿真，本文選擇兩關節機械手模型進行試驗，兩關節機械手是簡單的一類關節型機器人，通過對兩關節機械手的控制，了解關節的輸出位置，估計通常難于準確測量的不確定摩擦力和外部擾動的影響，這樣才能保證全局的漸進穩定。因此本文針對兩關節機械手的軌跡跟蹤問題，通過已建立的數學仿真模型，用MATLAB語言中的S函數編制仿真程序進行位置和速度跟蹤來驗證該模型是否穩定。

在仿真開始時，Simulink首先對模型進行初始化，此階段不屬于仿真循環。在所有模塊都初始化后，模塊進入仿真循環，在仿真循環的每個階段，Simulink都要調用模塊或者S函數。

2 兩關節機械手的設計分析

本文著重研究了 Matlab/Simulink環境中如何使用S-function模塊建立符合要求的機械手模型，正確實現理論軌跡跟蹤，繼而進行了機械手的動力學模型仿真，將模型仿真中得到的運動軌跡圖進行分析驗證理論計算的結果；模塊仿真，使仿真從單純的抽象的數字化仿真中走出來，更加直觀形象；仿真軌跡的優化，提高了機械手的工作效率；為串聯機械手的進一步研究奠定了基礎。S函數模塊可以描述任意復雜的系統。本文選擇了兩關節機械手模型，根據其數學模型搭建出仿真模型，并利用MATLAB語言中的S函數模塊來描述該系統，以實現位置和速度的跟蹤控制。然后利用MATLAB軟件對這個非線性系統進行仿真。為了驗證該模型的穩定性，根據兩關節機械手仿真模型及選取的控制參數，采用S函數編寫程序，并在Simulink中搭建仿真模型進行仿真。搭建該機械手仿真模型的選取以下模塊：⑴標有“S-function”的模塊；⑵標有“Sine Wave”模塊；⑶標有“To Workspace”的模塊；⑷標有“Mux”的模塊；⑸標有“Demux”的模塊。

搭建好仿真模型后，根據兩關節機械手的數學模型及編寫好的S函數程序進行封裝。之后整個系統就可以由S函數模塊來完成整個機械手的的操作。仿真結果如圖2、圖3所示。

從圖3中我們可以很明顯的看出，在仿真開始時刻，軌跡跟蹤曲線誤差比較大，隨后關節1和關節2實際輸出軌跡與期望輸出軌跡幾乎完全重合。說明設計的系統具有良好的跟蹤性。從圖4中可以看出關節1和關節2控制輸入曲線變化規則擾動較小，說明控制器的輸出比較穩定。

4 結論

本文針對兩關節機械手的軌跡跟蹤問題，通過已有的數學仿真模型，用matlab語言中的S函數編制仿真程序進行位置和速度跟蹤試驗。試驗結果驗證了，該模型能有效的克服機器人系統中的不確定因素的影響，提高系統對各種擾動、非線性因素的適應能力。該模型具有良好的穩定性，能實現機械手的位置和速度精確的控制。通過仿真結果可以看出這種方法的可行性。

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