基于MATLAB Robtics Toolbox的機(jī)械臂軌跡仿真研究

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1、基于MATLAB Robtics Toolbox的機(jī)械臂軌跡仿真研究 摘要：本文基于MATLABRobticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂仿真模型，并進(jìn)行機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證模型的正確性。最后，采用七次多項(xiàng)式插值算法完成機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。結(jié)果說明。算法準(zhǔn)確合理，可為后續(xù)機(jī)械臂控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：MATLABRobticsToolbox;仿真模型;運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;軌跡規(guī)劃 中圖分類號：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168〔2021〕04-0054-03 Abstract：Inthispaper，asimulationmodelo

2、fMOTOMAN-HP0020D-A00manipulatorwasestablishedbasedontheMATLABRoboticstoolbox，andtheforwardandinversekinematicsofthemanipulatorweresimulatedtoverifythecorrectnessofthemodel.Finally，thesevendegreepolynomialinterpolationalgorithmwasusedtocompletethetrajectoryplanningofthemanipulator.Theresultsshowthatt

3、healgorithmisaccurateandreasonable，whichcanprovidethebasisforthesubsequentcontroldesignofthemanipulator. Keywords：MATLABRobticsToolbox;simulationmodel;kinematicsanalysis;trajectoryplanning 隨著科技的快速開展，智能制造成為工業(yè)生產(chǎn)的核心方向。工業(yè)機(jī)械臂是先進(jìn)設(shè)計(jì)制造中不可或缺的生產(chǎn)設(shè)備。對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究是進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的前提，也是機(jī)器人研究的重要環(huán)節(jié)【1】。 在當(dāng)前的教學(xué)中，用實(shí)體機(jī)械臂進(jìn)

4、行實(shí)踐教學(xué)代價(jià)非常大，因而應(yīng)用仿真軟件研究機(jī)械臂特性尤為重要【2】。通過仿真軟件可以建立機(jī)械臂模型，進(jìn)行圖形仿真，模擬動(dòng)態(tài)特性，直觀展示機(jī)械臂的工作空間和位姿形態(tài)，并獲得運(yùn)動(dòng)過程中的參數(shù)曲線和其他重要信息。這更有利于使用者掌握運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而規(guī)劃機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性[3-4]。 本文基于MATLABRobticsToolbox進(jìn)行機(jī)器人學(xué)仿真，擬應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對實(shí)驗(yàn)室多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進(jìn)行仿真研究。 1MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂模型建立 多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕組成，如圖1所示。有

5、六個(gè)自由度，均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，J1軸為基座回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，J2軸為上臂傾動(dòng)，J3軸為下臂傾動(dòng)，J4軸實(shí)現(xiàn)手臂橫擺，J5軸為手腕俯仰，J6軸為手腕回轉(zhuǎn)。多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關(guān)參數(shù)主要參數(shù)如表1所示。 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)模型后，采用改進(jìn)的D-H法建立MOTOMAN數(shù)學(xué)模型【5】，其連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表2所示。 建立多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00的參數(shù)模型后，基于MATLABRobticsToolbox中的link函數(shù)構(gòu)建機(jī)械臂仿真模型。其中，link函數(shù)的調(diào)用格式為： 基于drivebot〔r〕函數(shù)得到空間位姿，如圖2所示，初始位姿時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)角均為零。通

6、過控制各關(guān)節(jié)滑塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同位姿運(yùn)動(dòng)。 2機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)是機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃、控制的根底【6】?；谇笆鰴C(jī)械臂的仿真模型，在機(jī)器人工具箱中，對多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進(jìn)行機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。 利用fkine對機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，求取MOTOMAN-HP0020D-A00末端執(zhí)行器的位姿變換矩陣。取六個(gè)關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)向量為[q=[π/2，-π/3，-π/2，π/5，π/3，π/6]]，調(diào)用函數(shù)格式為： 在MATLAB中求解出機(jī)械臂的末端位姿在基座下的變換矩陣[T]為： 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)是末端執(zhí)行器變換矩陣[T]，逆解出各關(guān)節(jié)變量【7】。在MATLA

7、BRobtics中基于ikine函數(shù)實(shí)現(xiàn)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)算。函數(shù)格式為： 據(jù)此可求解出[qi]=[1.5708，-1.0472，-1.5708，0.6283，1.0472，0.5236]。 由此可知，仿真結(jié)果中[q=qi]，可見，在MATLABRobticsToolbox中模型建立正確。 3機(jī)械臂軌跡規(guī)劃 對于機(jī)器人從起始點(diǎn)[Q0]到運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)[Q1]的過程，采用七次多項(xiàng)式插值對該軌跡進(jìn)行規(guī)劃。在MATLABRobticsToolbox中調(diào)用jtraj函數(shù)完成插值軌跡規(guī)劃，采用plot函數(shù)仿真過程的末端軌跡狀況以及機(jī)械臂六個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[8]。末端軌跡圖如圖3所示。 在運(yùn)動(dòng)時(shí)間向量

8、[t]=[0：0.05：4]條件下，采用subplot函數(shù)求取機(jī)械臂末端[X]方向、[Y]方向和[Z]方向的末端位移圖。調(diào)用格式為： subplot〔311〕，plot〔t，squeeze〔T〔1，4，：〕〕〕，xlabel〔時(shí)間/s〕，ylabel〔位移/mm〕，title〔末端位移圖〕 采用subplot函數(shù)求取機(jī)械臂末端執(zhí)行器位移、速度和加速度并展示。機(jī)械臂方向位移如圖4，末端關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度圖如圖5所示。 從圖4和圖5可得出，機(jī)械臂從初始點(diǎn)到終止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程隨時(shí)間的變化曲線及[X、Y、Z]三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)過程隨時(shí)間的變化情況，運(yùn)動(dòng)過程中，曲線無拐點(diǎn)和突變且平滑連續(xù)，機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)

9、過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無振動(dòng)。由此可知，應(yīng)用MATLABRobticsToolbox建立機(jī)械臂模型正確，符合MOTOMAN機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)要求，且該軌跡規(guī)劃方法設(shè)計(jì)合理。 4結(jié)語 本文基于改進(jìn)的D-H方法，利用MATLABRoboticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂仿真模型，并進(jìn)行了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果證明了力運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的正確性。同時(shí)采用七次多項(xiàng)式插值進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程的軌跡規(guī)劃，仿真得到機(jī)械臂末端軌跡圖像，通過姿態(tài)分析求得機(jī)械臂從初始點(diǎn)到終止點(diǎn)過程中[X、Y、Z]方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了軌跡算法的合理性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)機(jī)器人研究分析打下堅(jiān)實(shí)的根底。

10、 參考文獻(xiàn)： 【1】孫斌.六軸工業(yè)機(jī)器人的離線編程與仿真系統(tǒng)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2021. 【2】左富勇，胡小平，謝珂，等.基于MATLABRobotics工具箱的SCARA機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)〔自然科學(xué)版〕，2021〔2〕：43-46. 【3】謝斌，蔡自興.基于MATLABRoboticsToolbox的機(jī)器人學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].計(jì)算機(jī)教育，2021〔19〕：144-147. 【4】劉長柱，曹巖，賈峰，等.基于MATLABRobotics的SCARA機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及軌跡規(guī)劃[J].機(jī)電工程技術(shù)，2021〔4〕：121-125. 【5】何價(jià)來，羅金良，宦朋松，等.基于蒙特卡洛法的七自由度擬人機(jī)械臂工作空間分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2021〔3〕：48-51. 2021. 方法研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2021〔7〕：250-253，257. [8]樂英，岳艷波.六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及軌跡規(guī)劃[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2021〔4〕：89-92.