一、Simscape Multibody产品描述

1.Simscape Multibody建模和仿真

Simscape Multibody为三维机械系统提供了一个多体仿真环境，如机器人、车辆悬架、建筑设备和飞机起落架。您可以使用表示固体、关节、约束、力元素和传感器的块来建模多体系统。Simscape Multibody构造并求解了完整机械系统的运动方程。您可以将完整的CAD组件，包括所有质量、惯性线、关节、约束和三维几何图形，导入到模型中。一个自动生成的3D动画可以让您可视化的系统的动态。
Simscape Multibody可帮助您开发控制系统和测试系统的性能。您可以使用MATLAB变量和表达式来参数化模型，并在Simulink中为多体系统设计控制系统。您可以使用Simscape系列产品中的组件将液压、电气、气动和其他物理系统集成到模型中。要将您的模型部署到其他模拟环境，包括循环硬件(HIL)系统，Simscape Multibody支持c代码生成。

2.主要功能

1.在Simulink中，模拟三维机械系统、多维物理系统和控制算法的单一环境。
2.零件定义工具，包括标准几何、在 MATLAB 中定义的拉伸，以及STEP文件。
3.涵盖标准和自定义运动学关系的机械关节和约束。
4.用于分析运动和计算力的仿真模型。
5.多体系统动力学的三维动画。
6.CAD模型导入，包括零件、组件、关节和约束。
7.支持C代码生成（ Simulink Coder）。

二、Multibody模型分析

多体系统的核心是一组通过关节连接并受运动学约束（如齿轮）约束的物体。各种类型的力和扭矩可以让你能够驱动各种物体，而传感器也可以让你能够感知产生的运动。在 Simscape Multibody 软件中，您使用块来直接表示这些组件。

1.基本模型组成

以Simscape Multibody 四连杆示例。通过在MATLAB命令行输入 sm_four_bar 打开此模型。该模型由通过 Joint 块互连的实体子系统组成。 Joint 块定义了实体之间可用的自由度。物体的子系统通过底层框图定义其实体特性。

>> sm_four_bar

四连杆模型

1.1四连杆模型的基本组件

子系统依次由通过 Rigid Transform 模块互连的 Solid 组成。 Solid 模块提供了实体属性，包括几何、惯性、颜色和坐标系。 Rigid Transform 模块旋转和平移固体以确保正确的物体装配。
该图显示了双向联接子系统的底层框图。该图包括三个实心块，代表双向的中心部分和两端部分。两个 Rigid Transform 块将远端实体转换到靠近中心实体末端的适当位置。该图包含一个严格可选的Reference Frame模块。

1.2子系统组成

模型中的其他常见模块包括：
1.世界坐标系（World Frame）——向模型中添加一个惯性参照系。
2.刚性变换（Rigid Transform）——旋转和翻译物体和其他框架相对相对。
3.机械约束（Mechanism ConfiJurDtLon）——定义了一个模型中的引力常数。
4.求解器配置（Solver Configuration） ——设置 Simscape 本地求解器选项，例如类型、容差和时间步长。这是模型中唯一需要的模块。

2.模型驱动

通过对刚体或关节施加一个力或扭矩来驱动一个模型。为了表示作用于刚体上的力和力矩，Simscape Multibody提供了一个力和力矩库。从此库中拖动模块，并将其连接到要施加力或转矩的刚体坐标系上。

模块	作用
External Force and Torque	多体模型外部的总力and/or总力矩
Internal Force	任意两坐标系之间互相作用的总力
Spring and Damper Force	任意两坐标系之间的弹簧阻尼力
Inverse Square Law Force	任意两坐标系之间与平方距离成反比的力（例如库仑静电力）
Gravitational Field	所有刚体上的点质量的引力作为它们与点质量本身距离的函数

该图显示了一个四杆模型，带有一个外力和扭矩块，在曲柄连杆坐标系处指定力和扭矩。

为了指定作用在关节处的力或扭矩，Simscape Multibody 直接在Joint模块中提供了一系列驱动输入。每个Joint块的基本组件都提供特定于原始关节一系列的驱动输入。
Joint驱动输入可分为两种类型：

Motion（运动）—指定一个给定的初始关节的时变轨迹。
Force or torque（力或扭矩）—指定作用于给定关节上的时变驱动力或扭矩。

该图显示了一个四杆模型，其驱动扭矩作用于转动关节。

3.动态传感

可以感知一对坐标系之间的各种动态变量，例如用于分析或控制设计。传感器输出可以有两种类型：
代码如下（示例）：

Motion（运动）—计算并输出两个Simscape Multibody坐标系之间的相对位置、速度或加速度。可以通过使用Joint块的感知能力来感知关节坐标系之间的运动，或通过使用Transform Sensor模块来感知任意坐标系之间的运动。
Force or torque（力或扭矩）—计算和输出在两个Simscape Multibody坐标系之间作用的力和力矩。可以通过使用某些Forces and Torques模块（例如 Inverse Square Law Force模块）来感知（关节模块）坐标系接口之间的力和力矩。

Joint模块可以感知各自坐标系端口之间的力和力矩类型，包括：

作用于给定的关节上的驱动力或扭矩。
约束力和扭矩作用于整个关节，以防止垂直于关节自由度的运动。
总力和扭矩，包括约束部分和关节驱动部分，作用于整个关节。

该图显示了一个带有Transform Sensor block模块的四杆模型，用于连杆坐标系和世界坐标系之间进行轨迹坐标感测。

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