摘 要：機械手的研究一直很受人們關(guān)注，通過對兩關(guān)節(jié)機械手控制原理的研究，依據(jù)模型兩關(guān)節(jié)機械手的力學(xué)模型和動態(tài)模型，使用MATLAB對其進行了控制仿真。結(jié)果驗證了，該模型能有效的克服機器人系統(tǒng)中的不確定因素的影響，提高系統(tǒng)對各種擾動、非線性因素的適應(yīng)能力。該模型具有良好的穩(wěn)定性，能實現(xiàn)機械手的位置和速度精確的控制。

關(guān)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(yīng)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(gòu)組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和要求有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式稱為機械手的自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)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(shù)編寫程序來實現(xiàn)一個非線性系統(tǒng)的控制仿真，本文選擇兩關(guān)節(jié)機械手模型進行試驗，兩關(guān)節(jié)機械手是簡單的一類關(guān)節(jié)型機器人，通過對兩關(guān)節(jié)機械手的控制，了解關(guān)節(jié)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(wěn)定。因此本文針對兩關(guān)節(jié)機械手的軌跡跟蹤問題，通過已建立的數(shù)學(xué)仿真模型，用MATLAB語言中的S函數(shù)編制仿真程序進行位置和速度跟蹤來驗證該模型是否穩(wěn)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(huán)。在所有模塊都初始化后，模塊進入仿真循環(huán)，在仿真循環(huán)的每個階段，Simulink都要調(diào)用模塊或者S函數(shù)。

2 兩關(guān)節(jié)機械手的設(shè)計分析

本文著重研究了 Matlab/Simulink環(huán)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(xiàn)理論軌跡跟蹤，繼而進行了機械手的動力學(xué)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(jié)果；模塊仿真，使仿真從單純的抽象的數(shù)字化仿真中走出來，更加直觀形象；仿真軌跡的優(yōu)化，提高了機械手的工作效率；為串聯(lián)機械手的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。S函數(shù)模塊可以描述任意復(fù)雜的系統(tǒng)。本文選擇了兩關(guān)節(jié)機械手模型，根據(jù)其數(shù)學(xué)模型搭建出仿真模型，并利用MATLAB語言中的S函數(shù)模塊來描述該系統(tǒng)，以實現(xiàn)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(tǒng)進行仿真。為了驗證該模型的穩(wěn)定性，根據(jù)兩關(guān)節(jié)機械手仿真模型及選取的控制參數(shù)，采用S函數(shù)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(jù)兩關(guān)節(jié)機械手的數(shù)學(xué)模型及編寫好的S函數(shù)程序進行封裝。之后整個系統(tǒng)就可以由S函數(shù)模塊來完成整個機械手的的操作。仿真結(jié)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(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2實際輸出軌跡與期望輸出軌跡幾乎完全重合。說明設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的跟蹤性。從圖4中可以看出關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2控制輸入曲線變化規(guī)則擾動較小，說明控制器的輸出比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

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

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