基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究92
本文關(guān)鍵詞:基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
第4期;2010年4月;文章編號(hào):1001-3997(2010)04-0;機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;MachineryDesign&Manufact;93;基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究;馬如奇郝雙暉鄭偉峰郝明暉宋寶玉)(哈爾濱工業(yè)大學(xué);Researchoncoordinatedsim;MARu-qi,HAOShuang-hui,ZH;???????
第4期
2010年4月
文章編號(hào):1001-3997(2010)04-0093-03
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
MachineryDesign&Manufacture
93
基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究*
馬如奇郝雙暉鄭偉峰郝明暉宋寶玉)(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,哈爾濱150001
ResearchoncoordinatedsimulationofrobotarmbasedonMATLABandADAMS
MARu-qi,HAOShuang-hui,ZHENGWei-feng,HAOMing-hui,SONGBao-yu
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【摘
要】為提高機(jī)械臂設(shè)計(jì)效率,充分利用了虛擬仿真,搭建了機(jī)械臂的虛擬仿真系統(tǒng)。首先在
(SchoolofMechatronicsEng,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)
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Solidworks中建立了四關(guān)節(jié)機(jī)械臂的實(shí)體模型;然后將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams中,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真;最后通過(guò)Adams與Matlab的接口模塊Adams/control,利用Matlab/Simulink模塊搭建了機(jī)仿真結(jié)果表明機(jī)械臂系統(tǒng)具械臂的聯(lián)合仿真控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)基于Matlab與Adams的機(jī)械臂的聯(lián)合仿真。有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及較好的軌跡跟蹤能力。
關(guān)鍵詞:機(jī)械臂;聯(lián)合仿真;虛擬樣機(jī);運(yùn)動(dòng)仿真;ADAMS;MATLAB
【Abstract】Toimprovethedesignefficiencyofrobotarm,avirtualsimulationsystemwasbuiltbyathree-dimensionalmodeloftherobotarmwithmakingfulluseofthevirtualsimulationtechnology.First,
four-freedomwasbuiltinSolidworkssoftware;andthen,themodelwasimportedintothedynamicsimula-tionsoftwareAdamsforkinematicanddynamicsimulation;Atlast,throughtheinterfacemodularpartofMatlabsoftwareandcoordinatedsimulationoffour-freedomwassuccessfullyimplemented.Thesimula-tionresultsindicatethatthecoordinatedsimulationsystemoftherobotarmhaspreferabledynamicre-sponsecharacteristicsandnicerlocus-trackingability.MATLAB
(Adams/control)ofMatlabandAdams,robotarmcontrolsystemwasestablishedbyusingsimulinkmodule
Keywords:Robotarm;Coordinatedsimulation;Virtualprototype;Motionsimulation;ADAMS;中圖分類(lèi)號(hào):TH16,TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1引言
機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng),如果按照傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式,通過(guò)加工樣機(jī)后對(duì)其進(jìn)行反復(fù)測(cè)試改進(jìn),不僅很難有效地提高機(jī)械臂的性能,而且還會(huì)耗費(fèi)大量的物料和時(shí)間,因此有必要借助虛擬技術(shù),在制造物理樣機(jī)之前,先建立一個(gè)虛擬的樣機(jī)系統(tǒng)[1-2]。通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的不足,并予以改進(jìn),這樣既可以有效地縮短機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)周期,又可以有效地提高機(jī)械臂的性能。Adams能夠方便的實(shí)現(xiàn)多剛體系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真,Matlab具有強(qiáng)大的計(jì)算功能,并可以方便的構(gòu)建控制系統(tǒng)[3~5]。利用這兩個(gè)軟件建立機(jī)械臂的聯(lián)合仿真系統(tǒng),既可以對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真分析,又可以搭建機(jī)械臂的控制系統(tǒng),通過(guò)交互式聯(lián)合仿真,可以有效地提高機(jī)械臂的性能,為實(shí)際物理樣機(jī)的研制提供技術(shù)依據(jù)。
2虛擬樣機(jī)機(jī)械系統(tǒng)
2.1機(jī)械臂三維模型的建立
Adams具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真能力,但很難精確建立復(fù)雜的三維實(shí)體模型。為了能夠建立準(zhǔn)確的機(jī)械臂三維模型,選擇了Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件。設(shè)計(jì)的機(jī)械臂具有四個(gè)關(guān)節(jié),底部腰關(guān)節(jié)采能實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?紤]到剛性要求,
*來(lái)稿日期:2009-06-22
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腕關(guān)節(jié)
小臂肘關(guān)節(jié)
大臂肩關(guān)節(jié)腰關(guān)節(jié)
YZX
用永磁交流伺服電機(jī)加精密行星輪減速機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng),而肩、肘兩個(gè)關(guān)節(jié)則采用永磁交流伺服電機(jī)加諧波減速器的傳動(dòng)方式,末端機(jī)械臂三維模型,如圖1所示。的腕關(guān)節(jié)則直接由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖1機(jī)械臂三維模型
2.2機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)的建立
機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真需要在Adams中進(jìn)行,因此需要將Solidworks中建立的簡(jiǎn)化三維模型導(dǎo)入到Adams中。其方法是將Solidworks中的文件保存為Parasolid格式,然后導(dǎo)入到Adams中。在Adams中,需要對(duì)導(dǎo)入的每個(gè)零部件進(jìn)行編輯,定義其材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等相關(guān)屬性,從而使得虛擬樣機(jī)與實(shí)際物理樣機(jī)具有相同或者是相近的物理特性,以便更好的模擬實(shí)際系統(tǒng)。要對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真,還需要為導(dǎo)入
*基金項(xiàng)目:863計(jì)劃專(zhuān)題課題(2006AA04Z231)
94馬如奇等:基于MATLAB與ADAMS的機(jī)械臂聯(lián)合仿真研究第4期
Adams中模型定義約束及驅(qū)動(dòng),如圖2所示。服控制器接收到上位機(jī)的指令后,控制交流永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)械臂關(guān)節(jié);同時(shí),通過(guò)磁電編碼器進(jìn)行位置反饋,以實(shí)現(xiàn)全如圖5所示。閉環(huán)位置控制。系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu),
伺服控制器1伺服控制器2伺服控制器3伺服控制器4
伺服電機(jī)1伺服電機(jī)2伺服電機(jī)3伺服電機(jī)4
編碼器1編碼器2編碼器3編碼器4
上
位機(jī)
YZX
圖2定義約束后的機(jī)械臂模型
在有相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的四個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處需要定義旋轉(zhuǎn)約束,其他沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的零件均定義為固定約束。在定義好各個(gè)約束后,機(jī)械臂的各個(gè)零件之間便具有確定的約束關(guān)系,這樣可以保證仿真時(shí)各個(gè)零部件能夠有正確的運(yùn)動(dòng)。
圖5機(jī)械臂控制結(jié)構(gòu)
3.2關(guān)節(jié)位置伺服控制
設(shè)計(jì)的是串聯(lián)機(jī)械臂,因此可通過(guò)控制各個(gè)關(guān)節(jié)的位置角度這就要求對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)達(dá)到預(yù)期要求的目標(biāo)位置。的位置角度進(jìn)行精確控制。
當(dāng)不考慮機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)特性時(shí),可以將多輸入多輸出的機(jī)械臂系統(tǒng)化簡(jiǎn)為單輸入單輸出的伺服控制系統(tǒng)。對(duì)于交流伺服系統(tǒng),不考慮電感時(shí)的拖動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)穩(wěn)定的二階系統(tǒng)。為了加快系統(tǒng)的響應(yīng),可以考慮加入比例環(huán)節(jié),同時(shí)為了增大系統(tǒng)的阻尼,其抑制系統(tǒng)超調(diào),需要引入微分環(huán)節(jié),從而構(gòu)成了PD位置控制,結(jié)構(gòu),如圖6所示。
θref
Kpi
TiKvi
觶θθ
驅(qū)動(dòng)器傳感器
2.3運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真
定義好約束后,通過(guò)在機(jī)械臂的四個(gè)關(guān)節(jié)處定義旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)(motion)或者力矩(torque)便可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真。在Adams運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)中,可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和力矩函數(shù)來(lái)定義所需要的各種驅(qū)動(dòng)方式。為了驗(yàn)證機(jī)械臂系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的有效性及可靠性,以肩關(guān)節(jié)為例,定義機(jī)械臂肩關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為:Function(time)=-40.0d*SIN(time)。在此驅(qū)動(dòng)函數(shù)的驅(qū)動(dòng)下,設(shè)置仿真時(shí)間仿真步數(shù)step=500進(jìn)行仿真。通過(guò)Adams中的后處理模為t=15s,
塊便可以得到大臂圍繞基坐標(biāo)三個(gè)坐標(biāo)軸的角速度,如圖3所示。
AngularVelocity(deg/sec)50.0
40.030.020.010.00.0-10.0-20.0-30.0-40.0-50.0
0.0
model_1
圖6機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置控制結(jié)構(gòu)
如果不計(jì)各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性,則機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩為:
.dabi.CM_Angular_Velocity.Z
.dabi.CM_Angular_Velocity.X.dabi.CM_Angular_Velocity.Y
5.0
Time(s)
10.015.0
觶Ti=Kp()-Kviθiθref-θ
觶—傳感器采集的關(guān)節(jié)位置及速度反饋信號(hào);式中:θ和θ
Kpi與Kvi—比例系數(shù)及速度反饋比例系數(shù)。
采用該P(yáng)D位置控制系統(tǒng),對(duì)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)進(jìn)行位置控制。為了減少外部干擾對(duì)系統(tǒng)的影響,在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,盡
量采用較大的增益值。
圖3機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真
經(jīng)過(guò)仿真分析可以得出,機(jī)械臂模型能夠按給定的驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,可以作為下一步聯(lián)合仿真系統(tǒng)的機(jī)械子系統(tǒng)。
3虛擬樣機(jī)控制系統(tǒng)
3.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
機(jī)械臂是一個(gè)多輸入多輸出、強(qiáng)耦合的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),要對(duì)其實(shí)現(xiàn)精確的控制比較困難。為此,先不考慮機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)控制,只對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制,使其能夠準(zhǔn)確的跟蹤給定的軌跡曲線。其基本的控制結(jié)構(gòu),如圖4所示。
預(yù)定軌跡
控制器
機(jī)械臂
實(shí)際軌跡
4聯(lián)合仿真系統(tǒng)
4.1聯(lián)合仿真機(jī)械子系統(tǒng)的建立
為了進(jìn)行Adams與Matlab的聯(lián)合仿真,需要將Adams中已經(jīng)建立好的機(jī)械臂機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)入到Matlab中,作為Matlab/Simulink中的一個(gè)子系統(tǒng),以便在Matlab中利用Simulink仿真模塊搭建聯(lián)合仿真系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真。
要將Adams中的機(jī)械系統(tǒng)導(dǎo)入到Matlab中,需要通過(guò)Adams中的Adams/control模塊,利用該接口模塊可以實(shí)現(xiàn)Adams與Matlab之間的數(shù)據(jù)傳遞。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間的參數(shù)傳遞,需在Adams中建立聯(lián)合仿真系統(tǒng)所需要的12個(gè)變量,包括4個(gè)控制轉(zhuǎn)矩變量、4個(gè)關(guān)節(jié)位置變量及4個(gè)關(guān)節(jié)角速度變量。Adams可以利用其專(zhuān)有的函數(shù)實(shí)時(shí)地調(diào)用控制系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩變量值,并將其作為該時(shí)刻的轉(zhuǎn)矩指令驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng);機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)變量又可以被實(shí)時(shí)地反饋到控制系統(tǒng)中,從而構(gòu)成了完整的閉環(huán)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)位置的精確控制。
圖4機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制
設(shè)計(jì)的機(jī)械臂有四個(gè)關(guān)節(jié),每個(gè)關(guān)節(jié)都由一個(gè)永磁同步電機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),每個(gè)電機(jī)都由相應(yīng)的一套伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行控制,而各個(gè)伺服控制系統(tǒng)的指令統(tǒng)一由一個(gè)上位機(jī)來(lái)進(jìn)行給定。這樣,整個(gè)機(jī)械臂控制系統(tǒng)就相當(dāng)于一個(gè)由多個(gè)伺服系統(tǒng)構(gòu)成的同步控制系統(tǒng)。各個(gè)控制單元之間是并行連接,上位機(jī)通過(guò)高速同步串口把速度或者位置指令傳送給各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺
No.4Apr.2010
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
圖10所示。特性及跟蹤特性,如圖9、
3.53Angle(d)2.521.510.500
1
2
3
4
567
Time(s)
階躍信號(hào)
響應(yīng)信號(hào)
95
在Adams/control模塊中,將轉(zhuǎn)矩變量定義為輸入變量,用于存放Matlab中控制系統(tǒng)輸出的轉(zhuǎn)矩指令;將位置變量與角速度變量定義為輸出變量,用于控制系統(tǒng)中的位置及速度反饋輸入。變量定義完成后,Adams/control模塊將會(huì)生成三個(gè)文件,這些文在Matlab中調(diào)用件將用于Adams與Matlab之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。
Adams/control模塊,顯示已經(jīng)定義的聯(lián)合仿真系統(tǒng)所需要的12個(gè)變量,并對(duì)這些變量進(jìn)行確認(rèn)。然后在Matlab中輸入命令:adams_sys,Matlab將會(huì)產(chǎn)生機(jī)械臂機(jī)械子系統(tǒng)模塊,如圖7所示。
>MSCSoftware>
S-Function
j_velocity
>
>
>
x=Ax+Bu
y=Cx+DuState-Space
>
>
adams_sub
z_velocity
>
8910
圖9聯(lián)合仿真系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性
43Angle(d)
210-1-2-30
1
2
3
4
567
)Time(s
8
正弦信號(hào)
跟蹤信號(hào)
(a)聯(lián)合仿真系統(tǒng)中的機(jī)械子系統(tǒng)
ADAMS_uout
1control_torque_j
UToWorkspace
1j_position
2j_velocity
3
2
control_torque_w
Mux
3control_torque_y
MSCSoftwareADAMSPlantADAMS_youtYToWorkspace
4control_torque_z
Mux
Clock
ADAMS_toutYToWorkspace
Demux
w_position
45
678z_velocity
910
圖10聯(lián)合仿真系統(tǒng)跟蹤特性
通過(guò)聯(lián)合仿真分析可以看出,在階躍信號(hào)作用下,肩關(guān)節(jié)能夠在較短的響應(yīng)時(shí)間內(nèi),由初始位置上升并穩(wěn)定到指令給定的目精確控制。這一點(diǎn)通過(guò)聯(lián)合仿真在標(biāo)位置,從而實(shí)現(xiàn)位置的快速、Adams的仿真動(dòng)畫(huà)中也可以看出,肩關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大臂由初始位置迅速旋轉(zhuǎn)到指令給定位置,并在該位置保持不變。同時(shí),從仿真曲線也可以看出,當(dāng)給定指令為正弦信號(hào)時(shí),肩關(guān)節(jié)可以精確的跟蹤給定的正弦指令,只有很小的時(shí)間延遲。由此可以說(shuō)明肩關(guān)節(jié)可以很好的跟蹤給定的軌跡曲線,具有較好的軌跡跟蹤特性。
其他各個(gè)關(guān)節(jié)采用同樣的控制方法,實(shí)現(xiàn)相應(yīng)關(guān)節(jié)位置的精確控制。根據(jù)機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置與各關(guān)節(jié)位置角度之間的變換關(guān)系,便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置進(jìn)行精確控制,使其具有快速準(zhǔn)確定位的能力,同時(shí)還具有較好的軌跡跟蹤特性。
)機(jī)械子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(b
圖7聯(lián)合仿真系統(tǒng)—機(jī)械子系統(tǒng)
從圖中可以看出,機(jī)械子系統(tǒng)ADAMSPlant有4個(gè)轉(zhuǎn)矩變量4個(gè)位置變量及4個(gè)角速度變量作為輸出。作為輸入,
4.2聯(lián)合仿真位置控制系統(tǒng)
機(jī)械臂系統(tǒng)是一個(gè)多變量強(qiáng)耦合的機(jī)電系統(tǒng),在進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)將其轉(zhuǎn)化為線性多變量解耦系統(tǒng)。針對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié),采用PD控制策略進(jìn)行位置控制,通過(guò)對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)位置的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制,保證機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的位置跟蹤。聯(lián)合仿真系統(tǒng),,如圖8所示。
---Step2
Gain2
-Step3
Gain3
adams_sub
-Gain6-Gain5
-Gain4
-6結(jié)論
利用虛擬設(shè)計(jì)方法,在避免推導(dǎo)繁瑣的動(dòng)力學(xué)方程的情況下,實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的本體及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),大大的提高了設(shè)計(jì)效率,在降低機(jī)械臂開(kāi)發(fā)成本的同時(shí),節(jié)省了大量的時(shí)間。
通過(guò)應(yīng)用Solidworks、Matlab、Adams三個(gè)軟件,建立了四自由度機(jī)械臂的機(jī)械模型,在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真的基礎(chǔ)上,建立了聯(lián)合仿真控制系統(tǒng)。通過(guò)仿真,驗(yàn)證了機(jī)械臂系統(tǒng)的可行性,仿真過(guò)程中得到的大量設(shè)計(jì)參數(shù),有助于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)與為機(jī)械臂的開(kāi)發(fā)提供了一種新的研制。所采用的設(shè)計(jì)分析方法,
途徑,即可以充分的利用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù),在建立物理樣機(jī)之前,通過(guò)仿真分析來(lái)對(duì)樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),以便得到較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
參考文獻(xiàn)
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圖8聯(lián)合仿真位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
5聯(lián)合仿真系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
為了對(duì)機(jī)械臂聯(lián)合仿真系統(tǒng)的性能進(jìn)行驗(yàn)證,以肩關(guān)節(jié)為例,分別以階躍信號(hào)及正弦信號(hào)測(cè)試了聯(lián)合仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)
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