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聯(lián)合仿真

Matlab和SW聯(lián)合進(jìn)行Delta機(jī)器人建模仿真，把SW模型導(dǎo)入Matlab中，生成仿真模型。
首先，根據(jù)Matlab版本下載Simscape Multibody Link安裝文件，例如本次設(shè)計(jì)我下載的便是smlink.r2019a.zip與install_addon.m文件。
之后，用管理員權(quán)限打開Matlab，工作空間定位剛下載兩個(gè)安裝文件的位置；在命令行窗口中輸入install_addon（'smlink.r2019a.win64.zip'），進(jìn)行解壓安裝文件，回車鍵確定；繼續(xù)在命令行界面中輸入regMatlabserver，回車鍵確認(rèn)。
最后，激活Matlab和SolidWorks的接口，在命令行窗口界面輸入smlink_linksw，回車鍵確認(rèn)，彈出連接成功的窗口，完成在Matlab中的配置。
圖4.10 導(dǎo)入成功文件列表

圖4.11 Simulink建立的Delta機(jī)器人模型

SW軟件自動(dòng)可以搜索電腦的接口文件，打開SW軟件，Tools-Add-Ins-other Add-ins-Simscape Multibody Link打上勾并確認(rèn)。選擇Tools-Simscape Multibody Link-Export-Simscape Multibody選一個(gè)文件位置執(zhí)行完成。回到Matlab，工作空間定位到導(dǎo)入模型并存有xml文件的文件的位置。在命令行窗口輸入smimport（'裝配體.xml'），等待執(zhí)行結(jié)果，如圖4.10所示，彈出Simulink頁(yè)面，并且生成派生的文件Delta機(jī)器人的機(jī)械模型已經(jīng)轉(zhuǎn)成了Simulink模型直接顯示了出來，運(yùn)行顯示導(dǎo)入模型如圖4.11所示，為導(dǎo)入成功的Delta機(jī)器人模型。下次打開只需要運(yùn)行派生文件x_1_DataFile.m，即初始化導(dǎo)入模型的參數(shù)，之后便直接可以在Simulink中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)模型建立和仿真。至此，聯(lián)合建模成功，下面對(duì)Delta機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作仿真。
圖4.12 Delta機(jī)器人仿真設(shè)計(jì)模塊

如圖4.12所示，是在Simulink中設(shè)計(jì)的仿真模塊，如圖4.13所示的Delta機(jī)器人仿真運(yùn)行界面，實(shí)現(xiàn)下抓、上抬動(dòng)作的仿真。下面Delta機(jī)器人仿真動(dòng)作的設(shè)計(jì)步驟。
第一步，運(yùn)行派生的m文件，初始仿真參數(shù)；
第二步，在求解器中，建立世界坐標(biāo)系，在Y軸方向設(shè)置重力，線性代數(shù)方式配置為自動(dòng)，選取時(shí)間為基準(zhǔn)的方程公式；
第三步，上板、主動(dòng)臂的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，采用任意軸的旋轉(zhuǎn)方式，笛卡爾的偏量平移方式，其中軸的選取、旋轉(zhuǎn)的角度、笛卡爾偏移量等參數(shù)具體數(shù)值使用的是派生文件初始化的數(shù)值；
第四步，顯示上板、主動(dòng)臂實(shí)體模型；
第五步，把轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)置為180度，經(jīng)過計(jì)算調(diào)試，設(shè)計(jì)各個(gè)連桿的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換參數(shù)；
第六步，顯示連桿實(shí)體模型；
第七步，運(yùn)行仿真模塊，實(shí)現(xiàn)Delta機(jī)器人下抓上抬動(dòng)作仿真。
圖4.13 Delta機(jī)器人仿真運(yùn)行界面

仿真方式對(duì)比分析

本次設(shè)計(jì)分別使用Matlab、SolidWorks兩款軟件對(duì)Delta機(jī)器人進(jìn)行三種方式進(jìn)行仿真，下面對(duì)三種方式分別解決的各種問題以及優(yōu)缺點(diǎn)的做出了分析。
第一種方式，在Matlab軟件中，使用m文件建模Delta機(jī)器人，完成動(dòng)態(tài)模擬門行軌跡運(yùn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；易于寫入運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法；易于對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和軌跡進(jìn)行編程，完成對(duì)比仿真。缺點(diǎn)：忽視了Delta機(jī)器人從動(dòng)臂的具體架構(gòu)。
第二種方式，在SolidWorks中進(jìn)行設(shè)計(jì)Delta機(jī)器人裝配體，生成CAD圖紙，進(jìn)行動(dòng)畫模擬運(yùn)動(dòng)。可調(diào)試設(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械模型可執(zhí)行的位置姿態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)圖紙的可運(yùn)動(dòng)性，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)特征分析，提供正反解分析理論依據(jù)。
第三種方式，Matlab、SolidWorks聯(lián)合仿真建立Simscape模型進(jìn)行仿真，對(duì)機(jī)器人下抓上抬動(dòng)作進(jìn)行了模擬仿真，進(jìn)一步完善了上兩種方式對(duì)從動(dòng)臂的動(dòng)作特點(diǎn)的分析。這種方法優(yōu)勢(shì)在于，創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，并提供一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口（GUI）；以一種更快捷、直接明了的方式進(jìn)行模型和運(yùn)動(dòng)分析，立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果；缺點(diǎn)：編程復(fù)雜，加入運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解算法操作難度大。

仿真運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃又稱運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，是在給定的路徑端點(diǎn)之間插入用于控制的中間點(diǎn)序列從而實(shí)現(xiàn)沿給定的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。
空間角度上的路徑規(guī)劃和時(shí)間角度上的軌跡規(guī)劃構(gòu)成了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)上的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，是進(jìn)行并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析必不可少的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，兩者存在遞進(jìn)和相輔相成的關(guān)系。
首先，必須通過分析Delta機(jī)器人的幾何架構(gòu)以及關(guān)節(jié)特征；進(jìn)而，求出機(jī)器人的工作空間；最終，才能進(jìn)行路徑規(guī)劃的設(shè)計(jì)。在暫不考慮機(jī)器人位姿參數(shù)隨時(shí)間變化的因素的情況下，連接起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置的有序坐標(biāo)點(diǎn)，構(gòu)成的曲線稱之為路徑，構(gòu)成路徑的方法稱之為路徑規(guī)劃[31]。路徑是Delta并聯(lián)機(jī)器人整體位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的一定序列，即各個(gè)關(guān)節(jié)和機(jī)械架構(gòu)的空間坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)，其目的是找到一系列要經(jīng)過的有界限的路徑點(diǎn)，到達(dá)期望位置；我認(rèn)為還應(yīng)該考慮具體的機(jī)器人的機(jī)械特性和進(jìn)行受力分析，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和動(dòng)力臂的路徑關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)處的平滑過渡，減少摩擦力和減少對(duì)伺服電機(jī)力矩和加速度過大的損傷，也是對(duì)下一步驟的軌跡規(guī)劃提前進(jìn)行大框架的優(yōu)化。而軌跡規(guī)劃是增加路徑的一個(gè)時(shí)間參數(shù)，賦予運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性。
本次設(shè)計(jì)，通過對(duì)Delta機(jī)器人的機(jī)械架構(gòu)特征以及各個(gè)關(guān)節(jié)及各力臂之間的自由度分析，進(jìn)行門行路徑規(guī)劃程序的編寫，并完成了對(duì)門行軌跡規(guī)劃的仿真。
自動(dòng)分揀程序示意圖

以上就是Delta機(jī)器人自動(dòng)分揀的部分程序，經(jīng)過多次試驗(yàn)，選擇適合的參數(shù)，保證抓取的準(zhǔn)確性、動(dòng)作的合理性。

小結(jié)

介紹SolidWorks、Matlab軟件，詳述了在Matlab、SolidWorks和聯(lián)合兩種環(huán)境的Delta機(jī)器人動(dòng)態(tài)仿真以及三種不同的仿真方式進(jìn)行對(duì)比。

審核編輯 黃宇