基于matlab的机构运动仿真方法及其比较

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1、基于Matlab的机构运动仿真方法及其比较严家炜广东伊之密精密机械股份有限公司528306摘要：机构运动仿真在机构学研究中占有着非常重要的地位，木文依照仿真活动生命周期，总结概括了三种机构运动仿真方法，并进行对比研究深入分析。基于MatLab平台，以曲柄摆杆机构为例探宄这三种方法的实现途径。关键词：Matlab；机构运动仿真；对比.1八—刖目运动学仿真对于机构设计研究有着非常重要的地位，它能够去除大量的复杂繁琐和重复的计算工作，对运动过程进行直观的表达。在机构运动仿真中，明确不同仿真方法及其特点，

2、把握仿真方法的发展趋势，从而充分选择和利用不同仿真平台的功能，对于节约仿真费用，提高研究效率等方面有积极作用。1.Matlab概述Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要括MATLAB和Simulink两大部分。2.机构运动仿真机构仿真周期主要由建立模型，求解模型，展现结果，观察结果和调整模型等五部分构成，如图1所示。建立模型即列岀相关构件或关键点的运动方程，通过求解模型解算出相关点的位姿数据，基

3、于这些数据建立直观的人机界面，将运动过程动态展现给用户。通常仿真与优化配合使用，由于人机界面的直观性，通过观察常常可以获得优化方面的新信息，利用优化后的新参数调整仿真模型，开始一个新的仿真活动周期，直到获得满意结果为止。根据对机构仿真中各阶段的侧重不同，可以将机构运动仿真方法基木归为三个大的类别。第一类的核心是，对仿真模型进行数值求解，称之为基于模型解算的仿真方法。第二类以提供建模支持手段为核心，利用一些辅助工具来提高建模效率，称之为基于辅助建模的仿真方法。第三类方法中引进了虚拟现实技术，称之为基

4、于虚拟现实的仿真方法。以下以图1所示的曲柄摆杆机构为例，说明三种仿真方法的实现过程。该机构的相关参数分别为11=370,12=1049.6,13=524.7,(xd,yd)=(1080.3，-270)。其中AB为曲柄，是原动件，以ω作匀速圆周运动，DC为摆杆。图1:一个曲柄摆杆机构1.运动仿真方法3.1基于模型解算的运动仿真基于模型解算的运动仿真方法属于传统的仿真方法，它以求解模型为核心，重点研究模型的求解方法，以及如何提高求解的效率。也就是说，仿真效率的提高主要体现为模型求解效率的提

5、高。在MatLab中，具体表现为提供了大量的功能强大的函数，供求解模型吋调用。这种传统的机构仿真方法的另一个特点是，对仿真结果即运动轨迹的展现,除非用户满意字符界面，一般要用户本人利用图形函数绘制相关构件或关键点的轨迹。对于图2所示机构，如果要在基于OpenGL的环境下，以图形方式展现运动轨迹，开发人员必须调用多个GDI函数。但在MatLab下，对于C点的位姿数据，只要调用plot函数即可获得运动图线。3.2基于辅助建模的运动仿真这种方法是以提高建模效率来提高仿真效率的，MatLab/Simuli

6、nk就是以椐图作为建立仿真模型的主要支持手段，框图成为描述模型的基本元素。而且，MatLab还提供了一个机构系统仿真工具SimMechanics,它可以在Simulink环境下直接使用，使得仿真建模更为便捷。3.3基于虚拟现实的仿真方法虽然在SimMechanics下也可采用VR的显示方式，问题是由于构件模型不是三维的，不能得到虚拟环境下的效果。尤其是对于空间机构，这种缺陷更为明显。如果能够从不同的空间位置，观察机构的构件基于三维实体模型的动态运动过程，则可以得到更为逼真的仿真效果，这奋助于人们对

7、机构的直观理解，对于发现设计缺陷是非常重要的。这可以利用MatLab中的VR工具箱［6］来实现。以虚拟现实的方式展现仿真结果数据吋，必须将仿真模型的数据实吋传送到虚拟场景中，用仿真模型驱动三维场景。1.方法比较4.1模型解算方法这类方法强调仿真模型的求解，以提高求解仿真模型的效率为核心。主要优点是对软件平台的要求不高，比较灵活，不受制于仿真软件供应商。可以在多个较为通用平台上开发，如选择VisualC++或BorlandC++,可以开发自主知识产权的仿真软件。这类方法主要缺点是，通用性相对较差，当

8、面临每一个具体机构吋，都要开发一个单独的仿真引擎，因此工作量较大。当要以图形方式展现仿真结果吋，也必须进行额外的编程工作。这类方法的另外一个缺点是，要求技术人员掌握较多的编程知识和仿真领域的知识，增加了他们的负扪，不能充分发挥他们在机构学领域的优势。第三，解算的结果数据，与运动轨迹的展现是相对独立的两个部分，这两个部分没有集成起来。另外，这种方法只适合于展现作平面运动的构件的轨迹。4.2辅助建模方法辅助仿真方法以提高建模效率为核心，以框图的形式提供通用的仿真模块，通过对仿真模块进行