基于matlab robotics toolbox的机器人学仿真实验教学

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1、基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学第19期1402010年1O月10日计算机教育ComputerEducationNo.19Oc

2、t.10,2010文章编号:1672.5913(2010)19.0140—04中图分类号:G642文献标识码:A基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学谢斌,蔡自兴(中南大学信息科学与工程学院智能所,湖南长沙410083)摘要:简要介绍MATLABRoboticsToolbox在机器人学仿真实验教学中的基本应用,具体内容包括齐次坐标变换,机器人对象构建,机器人运动学求解以及轨迹规划等.该工具箱可以对机器人进行图形仿真,并能分析真实机器人控制时的实验数据结果,因此非常适宜

3、于机器人学的教学和研究.关键词:机器人学;仿真实验教学;MATLAB;RoboticsToolbox机器人学是一门高度交叉的前沿学科方向,也是自动化和机电工程等相关专业的一门重要专业基础课.在机器人学的教学和培训中,实验内容一直是授课的重点和难点.实物机器人通常是比较昂贵的设备,这就决定了在实验教学中不可能运用许多实际的机器人来作为教学和培训的试验设备.由于操作不方便,体积庞大等原因,往往也限制了实物机器人在课堂授课时的应用.此外,由于计算量,空间结构等问题,当前大多数机器人教材只能以简单的两连杆

4、机械手为例进行讲解,而对于更加实际的6连杆机械手通常无法讲解得很清楚.因此,各式各样的机器人仿真系统应运而生.经过反复的比较,我们选择了MATLABRoboticsToolboxIJ来进行机器人学的仿真实验教学.MATLABRoboticsToolbox是由澳大利亚科学家PeterCorke开发和维护的一套基于MATLAB的机器人学工具箱,当前最新版本为第8版,可在该工具箱的主页上免费下载(http://www.petercorke.com/robot/).RoboticsToolbox提供了机器

5、人学研究中的许多重要功能函数,包括机器人运动学,动力学,轨迹规划等.该工具箱可以对机器人进行图形仿真,并能分析真实机器人控制时的实验数据结果,因此非常适宜于机器人学的教学和研究.本文简要介绍了RoboticsToolbox在机器人学仿真实验教学中的一些应用,具体内容包括齐次坐标变换,机器人对象构建,机器人运动学求解以及轨迹规划等.1坐标变换机器人学中关于运动学和动力学最常用的描述方法是矩阵法,这种数学描述是以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础的【.如已知直角坐标系fA)中的某点坐标,那么该点在

6、另一直角坐标系fB}中的坐标可通过齐次坐标变换求得.一般而言,齐次变换矩阵尝是4×4的方阵,具有如下形式:J言J一0lJ其中R和p肋分别表示{A){B)两坐标系之间的旋转变换和平移变换.矩阵法,齐次变换等概念是机器人学研究中最为重要的数学基础.由于旋转变换通常会带来大量的正余弦计算,复合变换带来的多个矩阵相乘就更加难以手工计算,因此我们建议在仿真教学中通过计算机进行相应的坐标变换计算.利用MATLABRoboticsToolbox工具箱中的transl,rotx,roty和rotz函数可以非常容易

7、的实现用齐次变换矩阵表示平移变换和旋转变换.例如机器人在x轴方向平移了0.5米的齐次坐标变换可以表示为:>>T=trans1(0.5,T=1.OO0OO01.00000000作者简介:谢斌(1983一),男,讲师,博士,研究方向为图像处理,智能机器人;蔡自兴(1938一),男,教授,博导,本科,研究方向为人工智能,智能控制,机器人学.O0OOOOO50.00.1上)O.O000OO0,00..1上O——19期谢斌,等:基于MATLABR.oboticsToolbox的机器人学仿真实验教

8、学141而绕Y轴旋转90.可以表示为:>>T=roty(pi/2)T=0.000001.00000O1.0OO0OO一1.000000.000000001.0000对任意种类的机械手进行建模.通过RoboticsToolbox扩展了的plot函数还可将创建好的机器人在三维空间中显示出来:>>plot(r,[00])复合变换可以由若干个简单变换直接相乘得到,例如让物体绕z轴旋转90.,接着绕Y轴旋转-90.,再沿x轴方向平移4个单位,则对应的齐次变换可以表示为