從開(kāi)始設(shè)計(jì)機(jī)器人到功能實(shí)現(xiàn)，這三個(gè)核心問(wèn)題是作為工程師和科研人員必須要解決的：

機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真

機(jī)器人算法早期驗(yàn)證

連接機(jī)器人平臺(tái)和外設(shè)

使用MATLAB和Simulink，加速機(jī)器人從設(shè)計(jì)仿真到最終實(shí)現(xiàn)的每一步。

機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真

機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)多領(lǐng)域?qū)W科的話題，包括機(jī)械、電子、軟件、運(yùn)動(dòng)學(xué)等。MATLAB和Simulink在設(shè)計(jì)早期可以進(jìn)行基于多學(xué)科的仿真和計(jì)算，在不具備硬件的情況下對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)和算法進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，達(dá)到了早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤、節(jié)約成本的目的。

在機(jī)器人設(shè)計(jì)的最初階段，MATLAB可以借助其Symbolic Math Toolbox進(jìn)行基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)值求解，從數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行可行性證明。

在證明的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)的數(shù)學(xué)模型正確后，可以借助SimMultibody將CAD模型導(dǎo)入，形成機(jī)器人的被控對(duì)象模型的機(jī)械部分。

在確認(rèn)被控對(duì)象的的機(jī)械部分的正確性后，在機(jī)械關(guān)節(jié)部位用SimElectronics加入電機(jī)模型和角度傳感器模型，即被控對(duì)象模型的電子部分。

在機(jī)器人的本體模型完成后，可以通過(guò)Simulink以及相應(yīng)的控制工具箱進(jìn)行電機(jī)控制算法的搭建、仿真和調(diào)優(yōu)，形成閉環(huán)的機(jī)械、電子、控制一體化的閉環(huán)仿真。

加入從運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃逆解到電機(jī)控制的角度位置的MATLAB程序，并集成至Simulink控制模塊中，就可以在仿真環(huán)境下完成運(yùn)動(dòng)學(xué)、電機(jī)控制在機(jī)械、電子、軟件一體化系統(tǒng)下的整體虛擬仿真調(diào)試。

半實(shí)物仿真調(diào)試。在確認(rèn)所有控制部分準(zhǔn)確無(wú)誤后，可以通過(guò)Simulink Real Time將控制部分下載到HIL系統(tǒng)中（Hardware-In-the-Loop），通過(guò)高速實(shí)時(shí)總線連接到真實(shí)機(jī)器人，進(jìn)行半實(shí)物仿真。

機(jī)器人算法早期原型驗(yàn)證

現(xiàn)代機(jī)器人所涉及的算法多種多樣，可按如下領(lǐng)域劃分為：

感知和傳感器融合類(lèi)算法

行走路徑算法類(lèi)

機(jī)械臂規(guī)劃和控制算法類(lèi)

MATLAB通過(guò)各種工具箱為這些算法提供了開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證平臺(tái)。

感知和傳感器融合類(lèi)算法

隨著機(jī)器人的更新?lián)Q代，越來(lái)越多的機(jī)器人有了人工智能（AI）的能力，人工智能相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)器人最主要增加了感知能力（例如攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)）以及對(duì)多種傳感器識(shí)別輸出的融合能力。MATLAB在這方面主要提供如下工具箱：

Image Processing Toolbox

Signal Processing Toolbox

Computer Vision System Toolbox

值得一提的是，隨著AI的快速演進(jìn)和發(fā)展，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為圖像處理方面的熱點(diǎn)。Statistics and Machine Learning Toolbox和Neural Network Toolbox適合于大規(guī)模圖像的機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)方面的訓(xùn)練和識(shí)別技術(shù)。

在傳感器融合方面，機(jī)器人技術(shù)和汽車(chē)自動(dòng)駕駛有相同的技術(shù)背景和需求。在此背景之下，Automated Driving System Toolbox提供了多種傳感器融合所需要的編程框架和多種算法，以及各種融合的示例供參考。

行走路徑算法類(lèi)

在行走機(jī)器人算法方面，MATLAB可以通過(guò)柵格（Occupancy Grids）,道路模擬器，地理數(shù)據(jù)等方式來(lái)便利地表示地圖。

在路徑規(guī)劃和跟隨、自動(dòng)避障、姿態(tài)和定位方面，Robotics SystemToolbox提供了內(nèi)置的PRM，Pure Pursuit，VFH，Monte CarloLocalization，Scan Matching等現(xiàn)成算法和功能供使用。也可以用MATLAB語(yǔ)言自己實(shí)行算法。

機(jī)械臂規(guī)劃和控制算法類(lèi)

在機(jī)械臂機(jī)器人的規(guī)劃和控制算法中，常用的算法和功能包括：

Kinematics 和Inverse Kinematics

Kinematic Constraints

Dynamics 和Inverse Dynamics

Impedance Control

PID

Jacobian Transpose

Trajectory Planning and Optimization

ObstacleAvoidance

Robotics System Toolbox提供了機(jī)械臂的剛體樹(shù)（Rigid Body）表示，也提供了這些基本算法或樣例，可靈活地配合其他工具箱驗(yàn)證這些算法。

連接機(jī)器人平臺(tái)和外設(shè)

機(jī)器人作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，圍繞這個(gè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，市面上出現(xiàn)了很多機(jī)器人仿真平臺(tái)：

基于ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）：Gazebo, V-REP等

基于通用硬件的：Arduino，Raspberry Pi，LEGO MINDSTORMS等

MATLAB和Simulink提供了對(duì)ROS的支持。通過(guò)這些接口，用戶可以方便地通過(guò)ROS導(dǎo)入傳感器信息、測(cè)試機(jī)器人控制算法、也可以進(jìn)行基于支持ROS的模擬器的虛擬仿真。

用戶還可以通過(guò)硬件支持包（Hardware Support Package）下載Arduino，Raspberry Pi，LEGO MINDSTORMS的支持包，用戶只需在MATLAB/Simulink中編寫(xiě)控制算法就可很快地通過(guò)支持包生成代碼下載并運(yùn)行在這些硬件平臺(tái)上。

代碼生成

在用戶通過(guò)控制算法的仿真和驗(yàn)證之后，用戶可以通過(guò)Embedded Coder將Simulink算法直接生成標(biāo)準(zhǔn)C、C++代碼。

這些算法可以為：

電機(jī)控制算法

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法

傳感器感知和融合算法

生成的C、C++代碼具有高度的可讀性和安全可靠性，可輕易適配至任何硬件或者操作系統(tǒng)。

德國(guó)宇航中心的Justin機(jī)器人是世界上最先進(jìn)的機(jī)器人之一。Justin有兩個(gè)手臂，可移動(dòng)，是一種人形機(jī)器人。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)使用MATLAB和Simulink設(shè)計(jì)機(jī)器人模型，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制算法和路徑規(guī)劃算法。

它的53個(gè)自由度分布在不同機(jī)械部分，上身：19自由度，手臂：26自由度，移動(dòng)平臺(tái)：8自由度。它是通過(guò)其頭部的立體相機(jī)和RGB-D傳感器來(lái)感知外界環(huán)境，在所有的關(guān)節(jié)都有力矩傳感器，并在其手指有皮膚觸覺(jué)傳感器。