基于 Matlab Simulink Simscape 的码垛机器人分析与仿真

自动化产线中，码垛机器人负责按规则高效堆叠产品，显著提升效率。借助 Matlab Simulink Simscape 进行此类机器人的分析与仿真，是验证设计、优化性能的关键手段。

运动学建模基础

以常见的四轴码垛机器人为例，建立其运动学模型是分析的核心。每个关节独立转动，需利用齐次变换矩阵描述末端位姿。在 Matlab 中构建该函数时，参数包括关节角度 theta、偏距 d、连杆长度 a 及扭转角 alpha：

function T = homogeneous_transform(theta, d, a, alpha)
    T = [
        cos(theta), -sin(theta)*cos(alpha), sin(theta)*sin(alpha), a*cos(theta);
        sin(theta), cos(theta)*cos(alpha), -cos(theta)*sin(alpha), a*sin(theta);
        0, sin(alpha), cos(alpha), d;
        0, 0, 0, 1
    ];
end

该函数返回对应的变换矩阵，据此可计算不同关节参数下的连杆位姿。

仿真环境搭建

Simscape 支持多领域物理建模。在 Simulink 中，从 Multibody 库拖入旋转关节（Revolute Joint）与刚性变换（Rigid Transform）模块，即可模拟双关节机械臂结构。配置好初始角度与连杆参数后，模型框架便搭建完成。

动力学控制与仿真

模型搭建后，Simscape 会自动生成动力学方程。为实现特定轨迹，需在关节输入端口连接信号源。例如，让第一个关节按正弦规律运动，只需接入 Sine Wave 模块并设定幅值与频率。

配合脚本生成正弦信号数据，便于观察关节角度变化趋势：

time = 0:0.01:10;
amplitude = pi/2;
frequency = 0.5;
theta1 = amplitude * sin(2*pi*frequency*time);
figure;
plot(time, theta1);
xlabel('Time (s)');
ylabel('Joint Angle (rad)');
title('First Joint Angle Over Time');

可视化该角度曲线，能直观判断运动是否符合预期。

结果评估

仿真结束后，重点检查末端轨迹是否匹配预设码垛路径。利用 XY Graph 模块绘制二维轨迹图，若存在偏差，需排查模型参数或运动学方程。此外，关节扭矩分析也是关键指标，直接决定电机选型是否合理。

通过仿真提前验证性能，能有效优化设计并降低成本。这套流程对于提升自动化产线的可靠性具有实际价值。