基于MATLAB仿象鼻机器人造型及运动仿真.doc

1、基于MATLAB仿象鼻机器人造型及运动仿真摘要:按照一定的要求对仿象鼻机器人进行参数设计，讨论了该机器人的运动学问题，然后在matlab环境下，对该机器人的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行仿真。通过仿真，观察到了机器人各个关节的运动，并得到了所需的数据，说明了所设计的参数是正确的，从而能够达到预定的目标。利用MATLAB语言强大的数值计算能力实现仿象鼻机器人机构的运动仿真,为仿象鼻机器人机构的设计及分析提供一条便捷的途径。关键词：MATLAB，仿象鼻机器人，运动学仿真，轨迹规划Trunk robot modeling and motion simulation based on MATLABA

2、bstracts:According to certain requirements to parameter design of bionic trunk robot, the kinematics of the robot is discussed, and then in the matlab environment, forward kinematics and inverse kinematics of the robot, the trajectory planning. Observed by simulation robot movement of each joint, an

3、d the required data is obtained, which shows the designed parameters are correct, so that they can reach a predetermined target. Imitation by using MATLAB powerful numerical calculation ability, trunk robot mechanism movement simulation, for imitation trunk for the design and analysis of robot mecha

4、nism provides a convenient way.Key words:MATLAB ,trunk robot ,motion simulation ,Trajectory planning 目 录1前言11.1课题介绍11.2课题目的、方案和意义42仿象鼻机器人的造型及坐标系建立62.1仿象鼻机器人的造型62.2各关节坐标系的建立和D-H变换73机器人运动学仿真算法93.1机器人正向运动学问题93.2机器人逆向运动学问题124轨迹规划135MATLAB运动仿真145.1Robotics Toolbox建模145.2仿象鼻机器人动作姿态175.2.1仿象鼻机器人伸展动作姿态175.2

5、.2仿象鼻机器人弯曲动作姿态185.2.3仿象鼻机器人蜿蜒动作姿态195.3命令函数调用205.3.1fkine函数调用205.3.2ikine函数调用205.3.3jtraj函数调用215.4仿象鼻机器人动作轨迹规划235.4.1弯曲动作轨迹规划235.4.2蜿蜒动作轨迹规划256仿真结果分析27结论28参考文献29致谢301前言 1.1课题介绍MATLAB已成为国际上最流行的科学与工程计算软件,它在国内外高校和科研部门正扮演着越来越重要的角色,功能也越来越强大。可以预见,在科学运算与科学绘图领域,MATLAB语言长期保持其独一无二的地位。MATLAB是matrix和laboratory两个

6、词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制

7、函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要功能为数值分析，数值和符号计算，工程与科学绘图，控制系统的设计与仿真，数字图像处理，数字信号处理，通讯系统设计与仿真，财务与金融工程。广泛应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB软件的优势特点：1) 高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；2) 具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；3) 友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；4) 功能丰富的应用工具箱(如信号处理工具箱、通信工具箱等) ，为用户提供

8、了大量方便实用的处理工具。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C，FORTRAN，C+，JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用，此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序，用户可以直接进行下载就可以用。 仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术

9、。确切地说，仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看，仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科。研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术之中，用以发明、创造新技术。该学科的问世，为人类开辟了独特的制造技术发展道路向生物界索取灵感的道路，大大开阔了人类的技术眼

10、界，显示了巨大的发展潜力，是人类智慧的结晶。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种从生物体的结构与功能上在机械设计方面给了很大启发。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福。仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘

11、科学。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理，并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践

12、认识再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量，才能进行生长和繁殖；生

13、物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一，局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，学科分支繁多

14、，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟以及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分

15、支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。总之，仿生学的研究内容，从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代，仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展。因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的

16、发展做出巨大的贡献。仿生机械学是研究仿生机械的学科，是模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的特性结合使用，人类就可能得到在某些性能上比自然界形成的体系更为完善的仿生机械。随着科技的发展，机器人与人类的联系日益密切。出于对机器人的兴趣和关注，人们更加想了解机器人，学习机器人，因此，进行机器人的教学和培训就显得尤为重要。然而，机器人是一个比较昂贵的设备，在进行机器人教学时，不可能用许多实际的机器人来作为教学