【Dynamics】SimMechanics在机器人动力学建模中的应用

1 SimMechanics软件说明

Matlab中有关于机械系统动力学仿真分析的软件SimMechanics，SimMechanics是基于Simulink基础上的工具箱模块，其可以通过图形化建模的方法建立机械系统的动力学，并且由于其是基于Simulink框架的动力学建模软件，因此可以通过与simulink的控制系统相关接口连接，从而达到仿真-控制一体化的分析。Matlab-Simulink-SimMechanics的架构对于机械系统的建模-仿真-控制具有重要的作用。

刚体是SimMechanics多体模型的基本组成部分。它们是与关节和约束连接的零件，用于建模铰接机构或机器人。例如，一个四杆机构包含四个机构，通过四个旋转关节互连。在SimMechanics多体模型中，所有物体都是刚性的。它们是理想化的，内部应变总是等于零。真正的刚体在自然界中并不存在，但在正常工作条件下，许多工程构件表现为近似刚体，即变形可以忽略不计。一般来说，当预期变形远小于建模系统的特征长度时，刚体近似法可提供精确的建模结果。在我们的研究对象中，除非是特殊类型的机器人，如软体机器人，大部分其他的机器人比如外骨骼、机械臂、人形机器人等均可以看作是刚体机器人。刚体的属性可以表示为：

SimMechanics扩展了Simscape在机械系统动力学分析方面的能力，开发人员不需要进行程序编写，只需要根据物理系统的元器件进行系统建模。这个模型主要是由刚体、铰链、约束以及外力组成。用户也可以y从CAD中直接导入模型。同时Simulink中的Real-time Workshop 可以对SimMechanics模型进行自动化C代码生成，进而开发硬件在环系统。SimMechanics目前在机械臂开发、外医疗设备、起落架以及悬架等机械系统方面发挥着具有重要的作用。兼容Simulink的各类积分器，研究人员可以根据需要进行设置。

2 SimMechanics具体功能

SimMechanics中包含了如下各个模块：

simmechanics 功能模块

以单关节-连杆建模为例，其包括了Body1,Joint Actuator， Joint Sensor, R1.

单关节驱动模块

Body1 动力学属性

可视化介绍

在可视化界面设计中，其可以引入外部STL文件，并且通过指定Body CS 来设置方位。

3 SimMechanics优势

以质量-弹簧-阻尼系统为例，系统描述图如下

质量-弹簧-阻尼系统

建立其动力学方程，并且在simulink搭建相应的仿真模型

基于物理方程的simulink仿真模块

由上述可以看出，基于动力学方程-simulink实现其动力学分析，较为负载，所需要搭建的模块涉及到很多微分和积分模块，且容易形成代数环。因而有必要采用更加方便的方式建立其动力学仿真分析模型。

SimMechanics中搭建的模型

对比分析可以看出，基于SimMechanics的动力学模型较为方便和简单。且可以有效利用Simulink现有的数值积分器求解。

4 SimMechanics仿真实例

建模过程

KUKA KR5

KUKA机械臂 Simmechanics 模型

DH参数表如下