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机械手模拟仿真实验文档.docx
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机械手模拟仿真实验文档
实验简介
问题描述:应用仿真技术,建立一个具有四自由度的(虚拟)机械手,可完成在任意给
定的两个三维空间点之间画一条直线的任务
解决方案:首先使用 VRML 语言建模机械手模型,再使用 Matlab 中的 Simulink 仿真环
境模拟机械手四个关节的运动状态,然后在此基础之上编写 Matlab 程序完成
所需功能。
重点难点:如何建立世界坐标系,并得到每个坐标点与四个关节旋转角度的对应关系?
如何计算机械手臂沿两点直线移动过程中四个关节的运动姿态 (即旋转角
度)?
一、 机械手建模
为了实现对机械手的仿真实现,我们首先建立一个模拟四个关节(四个自由度)可运动
的机械手,效果如下图 1.1 所示。
图 1.1 四个自由度的机械手模型
该机械手的模型分为底座,四个关节以及顶端的画笔,我们重点来弄清楚四个关节的运
动情况,地下的红色小立方体可以在水平面的方向左右(即顺时针或逆时针)旋转正负 90 度,
其余的三个颜色分别标记为绿色、蓝色和灰色的三个立方体,它们可以绕着各自的底平面心
前后旋转运动,其运动幅度均为正负 90 度。
建立机械手模型时,采用了 MATLAB 支持的虚拟现实建模语言 VRML。
1.1 虚拟现实建模语言 VRML
VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言,是一种用于建立真
实世界的场景模型或者人们虚构的三维世界的场景建模语言,是一种面向 Web 面向对象的
三维造型语言,其实质为一种解释性语言,常用的编辑环境有 VrmlPad,VRML 文件的后缀
名为.wrl, 使用浏览器浏览时需要相应插件的支持,可下载cortona3d.msi 安装即可
由于 VRML 在互联网和可视化的广泛应用,Matlab 对于虚拟现实也进行了有力的支持,
Matlab 提供了 Simulink 接口和 Matlab 接口来与虚拟现实进行交互,相应的详细说明文档请
查看 Matlab 帮助文档中的 Virtual Reality Toolbox内容。
1.2 机械手模型的概述
下面两幅图 1.2 和 1.3 显示的分别为初始机械手模型和旋转一定角度的机械手模型。
图 1.2 机械手初始状态
图 1.3 旋转后的机械手状态
实验室中实物机械手总共有六个关节,也就是说该机械手有六个自由度,每个关节由一
个电机来控制,每个关节在空间的运动范围为 -90 度到+90 度,在试验模拟中为了简化系统,
我们使用了四个自由度的模型系统,在 Matlab Simulink 仿真实验中,只需要实时给出每个
关节的旋转角度就可以动态地控制机械手的运动状态。
从上面的模型示意图中我们可以很清楚的看到,该机械手的模型分为底座,四个关节以
及顶端的画笔,我们重点来弄清楚四个关节的运动情况,地下的红色小立方体可以在水平面
的方向左右(即顺时针或逆时针)旋转正负 90 度,其余的三个颜色分别标记为绿色、蓝色和
灰色的三个立方体,它们可以绕着各自的底平面中心点前后旋转运动(视线正视方向),其
运动幅度均为正负 90 度。
1.3 机械手模型的建立
机械手模型的建立需要 VRML 语言支持,具体的设计请参考《VRML 虚拟现实应用技
术》张德丰 著,电子工业出版社,在这部分将简要的介绍有关VRML 编程的基本知识。
VRML 语言其实非常简单,是一种描述性的解释语言,VRML 的对象称之为节点,子
节点的集合可以构成复杂的景物,节点可以通过实例得到复用,通过路由或者script 脚本语
言的交互可以生成更加复杂逼真的动态虚拟世界。
例如底盘模型是一个圆锥体和圆柱体的组合,相关的VRML 代码如下所示。
#############################################################################
DEF Hand Transform #定义一个形变
{
children #并列的子节点
[
#Base : a cone and a cylinder
Shape #定义一个形体
{
appearance Appearance #外观节点
{
material Material # 材质节点
{
#颜色属性设置
diffuseColor 1.0 0.0 0.0
emissiveColor 0.1 0.1 0.1
}
}
geometry Cone #定义一个圆锥体
{
#圆锥体的属性设置
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苦茶子12138
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