【源码开源】基于MATLAB的四杆机构运动学仿真系统(带GUI交互界面)

.rtcContent { padding: 30px; } .lineNode {font-size: 10pt; font-family: "Times New Roman", Menlo, Monaco, Consolas, "Courier New", monospace; font-style: normal; font-weight: normal; }% 四杆机构仿真 - 带GUI界面完整版本function FourBarMechanismSimulator()    clear; clc; close all;    %% 参数设置    % 杆件长度定义    r_a = 6;                    % 曲柄OA长度 (主动件)    r_b = 10;                   % 机架OC长度 (固定杆)    theta_b = 0;                % 机架OC与X轴夹角 (弧度)    r_c = 9;                    % 连杆AB长度    r_d = 8;                    % 摇杆CB长度    r_e = 5;                    % 延伸杆AD长度    angle_extension = 30;       % 延伸杆AD相对OA的夹角 (度)    % 固定点O的位置    O = [0, 0];    % 输入角度范围    t2 = linspace(0, 6*pi, 300);    n = length(t2);    % 动画控制变量    isPlaying = false;    isPaused = false;    currentFrame = 1;    animationSpeed = 0.05;    showTrace = true;    %% 求解机构位置    fprintf('正在求解机构位置...\n');    [A_pos, B_pos, D_pos, C] = solvePositions(t2, O, r_a, r_b, theta_b, r_c, r_d, r_e, angle_extension);    fprintf('求解完成！\n');    %% 创建GUI界面    fig = figure('Position', [100, 50, 1100, 750], ...                 'Name', '四杆机构仿真系统', ...                 'NumberTitle', 'off', ...                 'MenuBar', 'none', ...                 'Resize', 'on', ...                 'CloseRequestFcn', @closeGUI);    % 创建绘图区域    ax = axes('Parent', fig, ...              'Position', [0.05, 0.28, 0.9, 0.68]);    hold(ax, 'on');    grid(ax, 'on');    axis(ax, 'equal');    % 设置坐标轴范围    all_x = [O(1), C(1), A_pos(:,1)', B_pos(:,1)', D_pos(:,1)'];    all_y = [O(2), C(2), A_pos(:,2)', B_pos(:,2)', D_pos(:,2)'];    margin = 2;    xlim(ax, [min(all_x)-margin, max(all_x)+margin]);    ylim(ax, [min(all_y)-margin, max(all_y)+margin]);    title(ax, '四杆机构动画仿真', 'FontSize', 14, 'FontWeight', 'bold');    xlabel(ax, 'X (m)', 'FontSize', 12);    ylabel(ax, 'Y (m)', 'FontSize', 12);    % 初始化图形对象    h_OA = plot(ax, [O(1), A_pos(1,1)], [O(2), A_pos(1,2)], 'k-', 'LineWidth', 3);    h_AB = plot(ax, [A_pos(1,1), B_pos(1,1)], [A_pos(1,2), B_pos(1,2)], 'b-', 'LineWidth', 3);    h_CB = plot(ax, [C(1), B_pos(1,1)], [C(2), B_pos(1,2)], 'g-', 'LineWidth', 3);    h_AD = plot(ax, [A_pos(1,1), D_pos(1,1)], [A_pos(1,2), D_pos(1,2)], 'm-', 'LineWidth', 3);    h_OC = plot(ax, [O(1), C(1)], [O(2), C(2)], 'k--', 'LineWidth', 2);    % 关节点    h_O = plot(ax, O(1), O(2), 'ko', 'MarkerSize', 12, 'MarkerFaceColor', 'k');    h_A = plot(ax, A_pos(1,1), A_pos(1,2), 'ro', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'r');    h_B = plot(ax, B_pos(1,1), B_pos(1,2), 'bo', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'b');    h_C = plot(ax, C(1), C(2), 'ko', 'MarkerSize', 12, 'MarkerFaceColor', 'k');    h_D = plot(ax, D_pos(1,1), D_pos(1,2), 'mo', 'MarkerSize', 10, 'MarkerFaceColor', 'm');    % 轨迹线    h_trace_B = plot(ax, B_pos(1,1), B_pos(1,2), 'b-', 'LineWidth', 1.5, 'LineStyle', ':');    h_trace_D = plot(ax, D_pos(1,1), D_pos(1,2), 'r-', 'LineWidth', 1.5, 'LineStyle', ':');    % 添加图例    legend(ax, [h_OA, h_AB, h_CB, h_AD], {'OA杆(曲柄)', 'AB杆(连杆)', 'CB杆(摇杆)', 'AD杆(延伸)'}, ...           'Location', 'northeast', 'FontSize', 10);    %% 创建控制面板    panel = uipanel('Parent', fig, ...                    'Position', [0.05, 0.02, 0.9, 0.24], ...                    'Title', '控制面板', ...                    'FontSize', 12, ...                    'FontWeight', 'bold', ...                    'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94]);    % 第一行按钮    btn_play = uicontrol('Parent', panel, ...                         'Style', 'pushbutton', ...                         'String', '播放', ...                         'FontSize', 12, ...                         'FontWeight', 'bold', ...                         'Position', [30, 120, 100, 45], ...                         'BackgroundColor', [0.2 0.8 0.2], ...                         'ForegroundColor', 'white', ...                         'Callback', @playAnimation);    btn_pause = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'pushbutton', ...                          'String', '暂停', ...                          'FontSize', 12, ...                          'FontWeight', 'bold', ...                          'Position', [150, 120, 100, 45], ...                          'BackgroundColor', [1 0.6 0], ...                          'ForegroundColor', 'white', ...                          'Enable', 'off', ...                          'Callback', @pauseAnimation);    btn_stop = uicontrol('Parent', panel, ...                         'Style', 'pushbutton', ...                         'String', '停止', ...                         'FontSize', 12, ...                         'FontWeight', 'bold', ...                         'Position', [270, 120, 100, 45], ...                         'BackgroundColor', [0.8 0.2 0.2], ...                         'ForegroundColor', 'white', ...                         'Callback', @stopAnimation);    btn_reset = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'pushbutton', ...                          'String', '重置', ...                          'FontSize', 12, ...                          'FontWeight', 'bold', ...                          'Position', [390, 120, 100, 45], ...                          'BackgroundColor', [0.3 0.5 0.8], ...                          'ForegroundColor', 'white', ...                          'Callback', @resetAnimation);    btn_save = uicontrol('Parent', panel, ...                         'Style', 'pushbutton', ...                         'String', '保存视频', ...                         'FontSize', 11, ...                         'FontWeight', 'bold', ...                         'Position', [510, 120, 110, 45], ...                         'BackgroundColor', [0.6 0.3 0.8], ...                         'ForegroundColor', 'white', ...                         'Callback', @saveVideo);    btn_close = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'pushbutton', ...                          'String', '关闭', ...                          'FontSize', 12, ...                          'FontWeight', 'bold', ...                          'Position', [640, 120, 100, 45], ...                          'BackgroundColor', [0.5 0.5 0.5], ...                          'ForegroundColor', 'white', ...                          'Callback', @closeGUI);    % 速度控制    txt_speed = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'text', ...                          'String', '动画速度:', ...                          'FontSize', 11, ...                          'FontWeight', 'bold', ...                          'Position', [30, 75, 80, 25], ...                          'HorizontalAlignment', 'left', ...                          'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94]);    slider_speed = uicontrol('Parent', panel, ...                             'Style', 'slider', ...                             'Min', 0.01, 'Max', 0.2, 'Value', 0.05, ...                             'Position', [120, 80, 250, 20], ...                             'Callback', @updateSpeed);    txt_speed_val = uicontrol('Parent', panel, ...                              'Style', 'text', ...                              'String', '0.05 s/帧', ...                              'FontSize', 10, ...                              'Position', [380, 75, 80, 25], ...                              'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94]);    % 显示轨迹复选框    chk_trace = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'checkbox', ...                          'String', '显示轨迹', ...                          'FontSize', 11, ...                          'FontWeight', 'bold', ...                          'Value', 1, ...                          'Position', [480, 75, 100, 25], ...                          'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94], ...                          'Callback', @toggleTrace);    % 进度条    txt_progress = uicontrol('Parent', panel, ...                             'Style', 'text', ...                             'String', '播放进度:', ...                             'FontSize', 11, ...                             'FontWeight', 'bold', ...                             'Position', [30, 35, 80, 25], ...                             'HorizontalAlignment', 'left', ...                             'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94]);    progress_bar = uicontrol('Parent', panel, ...                             'Style', 'slider', ...                             'Min', 1, 'Max', n, 'Value', 1, ...                             'SliderStep', [1/(n-1), 10/(n-1)], ...                             'Position', [120, 40, 450, 20], ...                             'Callback', @updateProgress);    txt_frame = uicontrol('Parent', panel, ...                          'Style', 'text', ...                          'String', sprintf('帧: 1/%d (0.0%%) | 角度: 0.0°', n), ...                          'FontSize', 10, ...                          'Position', [580, 35, 200, 25], ...                          'BackgroundColor', [0.94 0.94 0.94]);    % 状态栏    txt_status = uicontrol('Parent', panel, ...                           'Style', 'text', ...                           'String', '状态: 就绪', ...                           'FontSize', 10, ...                           'Position', [30, 5, 740, 25], ...                           'HorizontalAlignment', 'left', ...                           'BackgroundColor', [0.9 0.9 0.9], ...                           'ForegroundColor', [0 0.5 0]);    %% 回调函数    % 播放动画    function playAnimation(~, ~)        if ~isPlaying            isPlaying = true;            isPaused = false;            set(btn_play, 'Enable', 'off');            set(btn_pause, 'Enable', 'on');            set(txt_status, 'String', '状态: 播放中...', 'ForegroundColor', [0 0.5 0]);            while isPlaying && currentFrame <= n                if ~isPaused                    updateFrame(currentFrame);                    currentFrame = currentFrame + 1;                    pause(animationSpeed);                else                    pause(0.1);                end                if ~ishandle(fig)                    return;                end            end            if currentFrame > n                currentFrame = 1;                isPlaying = false;                set(btn_play, 'Enable', 'on');                set(btn_pause, 'Enable', 'off');                set(txt_status, 'String', '状态: 播放完成', 'ForegroundColor', [0 0 0.8]);            end        end    end    % 暂停动画    function pauseAnimation(~, ~)        if isPlaying            isPaused = ~isPaused;            if isPaused                set(btn_pause, 'String', '继续');                set(txt_status, 'String', '状态: 已暂停', 'ForegroundColor', [0.8 0.5 0]);            else                set(btn_pause, 'String', '暂停');                set(txt_status, 'String', '状态: 播放中...', 'ForegroundColor', [0 0.5 0]);            end        end    end    % 停止动画    function stopAnimation(~, ~)        isPlaying = false;        isPaused = false;        set(btn_play, 'Enable', 'on');        set(btn_pause, 'Enable', 'off', 'String', '暂停');        set(txt_status, 'String', '状态: 已停止', 'ForegroundColor', [0.8 0 0]);    end    % 重置动画    function resetAnimation(~, ~)        isPlaying = false;        isPaused = false;        currentFrame = 1;        updateFrame(1);        set(btn_play, 'Enable', 'on');        set(btn_pause, 'Enable', 'off', 'String', '暂停');        set(progress_bar, 'Value', 1);        set(txt_status, 'String', '状态: 已重置', 'ForegroundColor', [0 0 0]);    end    % 更新速度    function updateSpeed(src, ~)        animationSpeed = get(src, 'Value');        set(txt_speed_val, 'String', sprintf('%.3f s/帧', animationSpeed));    end    % 更新进度    function updateProgress(src, ~)        if ~isPlaying            currentFrame = round(get(src, 'Value'));            updateFrame(currentFrame);        end    end    % 切换轨迹显示    function toggleTrace(src, ~)        showTrace = get(src, 'Value');        if showTrace            set(h_trace_B, 'Visible', 'on');            set(h_trace_D, 'Visible', 'on');        else            set(h_trace_B, 'Visible', 'off');            set(h_trace_D, 'Visible', 'off');        end    end    % 更新帧    function updateFrame(i)        % 更新连杆        set(h_OA, 'XData', [O(1), A_pos(i,1)], 'YData', [O(2), A_pos(i,2)]);        set(h_AB, 'XData', [A_pos(i,1), B_pos(i,1)], 'YData', [A_pos(i,2), B_pos(i,2)]);        set(h_CB, 'XData', [C(1), B_pos(i,1)], 'YData', [C(2), B_pos(i,2)]);        set(h_AD, 'XData', [A_pos(i,1), D_pos(i,1)], 'YData', [A_pos(i,2), D_pos(i,2)]);        % 更新关节点        set(h_A, 'XData', A_pos(i,1), 'YData', A_pos(i,2));        set(h_B, 'XData', B_pos(i,1), 'YData', B_pos(i,2));        set(h_D, 'XData', D_pos(i,1), 'YData', D_pos(i,2));        % 更新轨迹        if showTrace            set(h_trace_B, 'XData', B_pos(1:i,1), 'YData', B_pos(1:i,2));            set(h_trace_D, 'XData', D_pos(1:i,1), 'YData', D_pos(1:i,2));        end        % 更新进度条和文本        set(progress_bar, 'Value', i);        set(txt_frame, 'String', sprintf('帧: %d/%d (%.1f%%) | 角度: %.1f°', ...            i, n, 100*i/n, rad2deg(t2(i))));        drawnow;    end    % 保存视频    function saveVideo(~, ~)        set(txt_status, 'String', '状态: 正在保存视频...', 'ForegroundColor', [0.6 0 0.6]);        drawnow;        [file, path] = uiputfile('*.mp4', '保存视频', 'fourbarlinkage.mp4');        if file == 0            set(txt_status, 'String', '状态: 取消保存', 'ForegroundColor', [0 0 0]);            return;        end        fullpath = fullfile(path, file);        v = VideoWriter(fullpath, 'MPEG-4');        v.FrameRate = 30;        v.Quality = 95;        open(v);        % 临时禁用控制面板        set(panel, 'Visible', 'off');        for i = 1:n            updateFrame(i);            frame = getframe(fig);            writeVideo(v, frame);            if mod(i, 30) == 0                set(txt_status, 'String', sprintf('状态: 保存视频中... %.1f%%', 100*i/n), ...                    'ForegroundColor', [0.6 0 0.6]);                drawnow;            end        end        close(v);        set(panel, 'Visible', 'on');        set(txt_status, 'String', ['状态: 视频已保存至 ' fullpath], 'ForegroundColor', [0 0.5 0]);        msgbox(['视频已成功保存至: ' newline fullpath], '保存成功', 'help');    end    % 关闭GUI    function closeGUI(~, ~)        isPlaying = false;        choice = questdlg('确定要关闭程序吗？', '确认关闭', '是', '否', '否');        if strcmp(choice, '是')            delete(fig);        end    end    %% 求解位置函数    function [A_pos, B_pos, D_pos, C] = solvePositions(t2, O, r_a, r_b, theta_b, r_c, r_d, r_e, angle_ext)        n = length(t2);        A_pos = zeros(n, 2);        B_pos = zeros(n, 2);        D_pos = zeros(n, 2);        % 计算固定点C的位置        C = O + r_b * [cos(theta_b), sin(theta_b)];        % 初始猜测值        guess = [deg2rad(50), deg2rad(120), 5, deg2rad(50)];        % 优化选项        options = optimoptions('fsolve', 'Display', 'off', ...            'TolFun', 1e-6, 'TolX', 1e-6, ...            'MaxIterations', 100, ...            'Algorithm', 'levenberg-marquardt');        for i = 1:n            % 求解当前角度下的机构位置            x = fsolve(@(x) loop_equations(x, t2(i), r_a, r_b, theta_b, r_c, r_d, r_e, angle_ext), guess, options);            guess = x;  % 使用上一次的解作为下一次的初始猜测            % 计算各点位置            A_pos(i, :) = O + r_a * [cos(t2(i)), sin(t2(i))];            B_pos(i, :) = A_pos(i, :) + r_c * [cos(x(1)), sin(x(1))];            % 延伸杆D点位置            theta_e = t2(i) + deg2rad(angle_ext);            D_pos(i, :) = A_pos(i, :) + r_e * [cos(theta_e), sin(theta_e)];        end    end    %% 闭环方程    function F = loop_equations(x, theta_a, r_a, r_b, theta_b, r_c, r_d, r_e, angle_ext)        % x(1): theta_c (连杆AB的角度)        % x(2): theta_d (摇杆CB的角度)        % x(3): 辅助变量        % x(4): 辅助角度        cos_a = cos(theta_a);        sin_a = sin(theta_a);        cos_c = cos(x(1));        sin_c = sin(x(1));        cos_d = cos(x(2));        sin_d = sin(x(2));        cos_b = cos(theta_b);        sin_b = sin(theta_b);        % 延伸杆角度        theta_e = theta_a + deg2rad(angle_ext);        cos_e = cos(theta_e);        sin_e = sin(theta_e);        cos_f = cos(x(4));        sin_f = sin(x(4));        % 闭环方程组        F1_x = r_a * cos_a + r_c * cos_c - r_d * cos_d - r_b * cos_b;        F1_y = r_a * sin_a + r_c * sin_c - r_d * sin_d - r_b * sin_b;        F2_x = r_a * cos_a + r_e * cos_e - x(3) * cos_f;        F2_y = r_a * sin_a + r_e * sin_e - x(3) * sin_f;        F = [F1_x, F1_y, F2_x, F2_y];    endend