严家炜
广东伊之密精密机械股份有限公司 528306
摘要：机构运动仿真在机构学研究中占有着非常重要的地位，本文依照仿真活动生命周期，总结概括了三种机构运动仿真方法，并进行对比研究深入分析。基于MatLab平台，以曲柄摆杆机构为例探究这三种方法的实现途径。
关键词：Matlab；机构运动仿真；对比
前言
运动学仿真对于机构设计研究有着非常重要的地位，它能够去除大量的复杂繁琐和重复的计算工作，对运动过程进行直观的表达。在机构运动仿真中，明确不同仿真方法及其特点，把握仿真方法的发展趋势，从而充分选择和利用不同仿真平台的功能，对于节约仿真费用，提高研究效率等方面有积极作用。
1.Matlab概述
Matlab是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
2.机构运动仿真
机构仿真周期主要由建立模型，求解模型，展现结果，观察结果和调整模型等五部分构成，如图1所示。建立模型即列出相关构件或关键点的运动方程，通过求解模型解算出相关点的位姿数据，基于这些数据建立直观的人机界面，将运动过程动态展现给用户。通常仿真与优化配合使用，由于人机界面的直观性，通过观察常常可以获得优化方面的新信息，利用优化后的新参数调整仿真模型，开始一个新的仿真活动周期，直到获得满意结果为止。
根据对机构仿真中各阶段的侧重不同，可以将机构运动仿真方法基本归为三个大的类别。第一类的核心是，对仿真模型进行数值求解，称之为基于模型解算的仿真方法。第二类以提供建模支持手段为核心，利用一些辅助工具来提高建模效率，称之为基于辅助建模的仿真方法。第三类方法中引进了虚拟现实技术，称之为基于虚拟现实的仿真方法。以下以图1所示的曲柄摆杆机构为例，说明三种仿真方法的实现过程。该机构的相关参数分别为l1=370，l2=1049.6，l3=524.7，（xd，yd）=（1080.3，-270）。其中AB为曲柄，是原动件，以ω作匀速圆周运动，DC为摆杆。
图1：一个曲柄摆杆机构
3.运动仿真方法
3.1基于模型解算的运动仿真
基于模型解算的运动仿真方法属于传统的仿真方法，它以求解模型为核心，重点研究模型的求解方法，以及如何提高求解的效率。也就是说，仿真效率的提高主要体现为模型求解效率的提高。在MatLab中，具体表现为提供了大量的功能强大的函数，供求解模型时调用。
这种传统的机构仿真方法的另一个特点是，对仿真结果即运动轨迹的展现，除非用户满意字符界面，一般要用户本人利用图形函数绘制相关构件或关键点的轨迹。对于图2所示机构，如果要在基于OpenGL的环境下，以图形方式展现运动轨迹，开发人员必须调用多个GDI函数。但在MatLab下，对于C点的位姿数据，只要调用plot函数即可获得运动图线。
3.2基于辅助建模的运动仿真
这种方法是以提高建模效率来提高仿真效率的，MatLab/Simulink就是以框图作为建立仿真模型的主要支持手段，框图成为描述模型的基本元素。而且，MatLab还提供了一个机构系统仿真工具SimMechanics，它可以在Simulink环境下直接使用，使得仿真建模更为便捷。
3.3基于虚拟现实的仿真方法
虽然在SimMechanics下也可采用VR的显示方式，问题是由于构件模型不是三维的，不能得到虚拟环境下的效果。尤其是对于空间机构，这种缺陷更为明显。如果能够从不同的空间位置，观察机构的构件基于三维实体模型的动态运动过程，则可以得到更为逼真的仿真效果，这有助于人们对机构的直观理解，对于发现设计缺陷是非常重要的。这可以利用MatLab中的VR工具箱[6]来实现。以虚拟现实的方式展现仿真结果数据时，必须将仿真模型的数据实时传送到虚拟场景中，用仿真模型驱动三维场景。
4.方法比较
4.1模型解算方法
这类方法强调仿真模型的求解，以提高求解仿真模型的效率为核心。主要优点是对软件平台的要求不高，比较灵活，不受制于仿真软件供应商。可以在多个较为通用平台上开发，如选择VisualC++或BorlandC++，可以开发自主知识产权的仿真软件。
这类方法主要缺点是，通用性相对较差，当面临每一个具体机构时，都要开发一个单独的仿真引擎，因此工作量较大。当要以图形方式展现仿真结果时，也必须进行额外的编程工作。这类方法的另外一个缺点是，要求技术人员掌握较多的编程知识和仿真领域的知识，增加了他们的负担，不能充分发挥他们在机构学领域的优势。第三，解算的结果数据，与运动轨迹的展现是相对独立的两个部分，这两个部分没有集成起来。另外，这种方法只适合于展现作平面运动的构件的轨迹。
4.2辅助建模方法
辅助仿真方法以提高建模效率为核心，以框图的形式提供通用的仿真模块，通过对仿真模块进行组装，建立框图之间的连接关系，来表达实际机构各杆件之间的逻辑关系。由于仿真模型的表达更为直观，并且显著减少了编程工作量，所以，辅助仿真方法极大地扩大了仿真技术的应用领域，是仿真技术的一个飞跃，它使机构学研究人员可以轻易地对机构系统进行运动仿真分析。仿真结果的实时动画展现，也是用MatLab辅助仿真方法的特点之一，这对于理解特别是平面机构是非常有利的。
4.3虚拟仿真方法
虚拟仿真技术以仿真结果的展现为核心，它采用虚拟现实技术，以三维动态的可视化形式，在一个虚拟场景中实时展现了运动过程，并且可以以多种交互形式从不同视角对场景进行浏览和观察，所以更适合于对空间机构进行运动仿真。
虚拟仿真方法的一个主要缺点是必须对各构件进行三维几何建模，但是由于工程实际中积累了大量可供利用的三维CAD模型，所以，三维几何建模不再成为虚拟仿真的主要制约因素。
三类仿真方法从“模型求解”到“辅助建模”再到“结果展现”的发展过程，实际上是从“人围着机器转”到“机器围着人转”的发展过程，它体现了仿真活动“以人为本”的思想，这也是仿真将来发展的趋势之一。
5.总结语
本文以曲柄摆杆机构为例，探讨了基于MatLab平台的三大机构运动仿真的实现过程。探讨了三种仿真方法的特点，指出传统仿真方法以提高模型求解效率为核心，辅助仿真方法以提高建模效率为核心，而虚拟仿真方法则以提高仿真结果理解效率为核心的，指出虚拟仿真方法是机构运动仿真的主要趋势。
参考文献：
[1]王沫然.MatLab6.0与科学计算[M].北京.电子工业出版社，2011.
[2]薛定宇，陈阳泉.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2012.
论文作者:严家炜
论文发表刊物:《基层建设》2015年16期供稿
论文发表时间:2015/12/18
标签：方法论文; 机构论文; 模型论文; 建模论文; 效率论文; 曲柄论文; 虚拟现实论文; 《基层建设》2015年16期供稿论文;