两关节机械手的MATLAB仿真

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两关节机械手的MATLAB仿真

作者：李林英田晓翠

来源：《无线互联科技》2013年第12期

摘要：机械手的研究一直很受人们关注，通过对两关节机械手控制原理的研究，依据模

型两关节机械手的力学模型和动态模型，使用MATLAB对其进行了控制仿真。结果验证了，该模型能有效的克服机器人系统中的不确定因素的影响，提高系统对各种扰动、非线性因素的适应能力。该模型具有良好的稳定性，能实现机械手的位置和速度精确的控制。

关键词：机械手；MATLAB仿真；控制

机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和要求有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式称为机械手的自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。

1 仿真流程

本文主要用S函数编写程序来实现一个非线性系统的控制仿真，本文选择两关节机械手模型进行试验，两关节机械手是简单的一类关节型机器人，通过对两关节机械手的控制，了解关节的输出位置，估计通常难于准确测量的不确定摩擦力和外部扰动的影响，这样才能保证全局的渐进稳定。因此本文针对两关节机械手的轨迹跟踪问题，通过已建立的数学仿真模型，用MATLAB语言中的S函数编制仿真程序进行位置和速度跟踪来验证该模型是否稳定。

在仿真开始时，Simulink首先对模型进行初始化，此阶段不属于仿真循环。在所有模块都初始化后，模块进入仿真循环，在仿真循环的每个阶段，Simulink都要调用模块或者S函数。

2 两关节机械手的设计分析

本文着重研究了 Matlab/Simulink环境中如何使用S-function模块建立符合要求的机械手模型，正确实现理论轨迹跟踪，继而进行了机械手的动力学模型仿真，将模型仿真中得到的运动轨迹图进行分析验证理论计算的结果；模块仿真，使仿真从单纯的抽象的数字化仿真中走出来，更加直观形象；仿真轨迹的优化，提高了机械手的工作效率；为串联机械手的进一步研究奠定了基础。S函数模块可以描述任意复杂的系统。本文选择了两关节机械手模型，根据其数学模型搭建出仿真模型，并利用MATLAB语言中的S函数模块来描述该系统，以实现位置和