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(hào)：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168202104-0054-03Abstract：Inthispaper，asimulationmodelofMOTOMAN-H

2、P0020D-A00manipulatorwasestablishedbasedontheMATLABRoboticstoolbox，andtheforwardandinversekinematicsofthemanipulatorweresimulatedtoverifythecorrectnessofthemodel.Finally，thesevendegreepolynomialinterpolationalgorithmwasusedtocompletethetrajectoryplanningofthemanipulator.Theresultsshowthatthealgorith

3、misaccurateandreasonable，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(duì)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)行實(shí)踐教學(xué)代價(jià)非常大，因而應(yīng)用仿

4、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(duì)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)，

5、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drivebotr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

6、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(duì)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(duì)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=/2，-/3，-/2，/5，/3，/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MATLABRobtics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，-1.04

7、72，-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(duì)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(duì)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：subplot311，plott，squee

8、zeT1，4，：，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)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MATLABRobotic

9、sToolbox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。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，202

10、12：43-46.【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，202119：144-147.【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)，20214：121-125.【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)，20213：48-51.2021.方法研究J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，20217：250-253，257.8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)，20214：89-92.