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1、五自由度机械臂运动学系统建模与仿真吴硕,等五自由度机械臂运动学系统建模与仿真12吴硕,吴桐(1.辽宁装备制造职业技术学院辽宁沈阳,110161)(2.国机智能技术研究院北京,100101)摘要:机器人最主要的执行机构是机械臂,它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成的。机械臂结构设计与机械臂正、逆运动学公式推导有着密切关系。针对自行设计开发的五自由度机械臂模型,根据机械臂运动学原理,提出了一种改进D-H方法建立机械臂各关节坐标系,从而推导出了五自由度机器人机械臂运动学数学模型,并得出了相应的数学函数公式。通过在MATLAB中对建立的修改D-H模型进行正、逆运动学计算,并对机械臂进
2、行可视化仿真。仿真结果与数学函数公式推导结果一致,表明了理论模型和算法的正确性,为后续的机械臂轨迹规划和控制系统夯实了基础。关键词:机械臂;运动学;D-H;建模仿真中图分类号:TP24文献标识码:ADOI编码:10.14016/j.cnki.1001-9227.2017.02.026Abstract:Therobotisthemostimportantimplementationoftherobotarm,whichisaseriesofconnectingrodsbyrotatingormovingjointsformedinseries.Thestructuredesignof
3、themanipulatoriscloselyrelatedtothemodelingandsolvingofkinematicsandinversekinematics.Accordingtothekinematicsprincipleofthemanipulator,animprovedD-Hmethodisproposedtoestablishthejointcoordinatesystemofthemanipulator,whichisbasedonthe5-DOFmanipulatormodeldesignedanddevelopedbyourselves.Thekine
4、maticsmodeloftherobotmanipulatorwithfivedegreesoffreedomisdeducedandthecorrespondingmathe-maticalfunctionformulaisobtained.TheforwardandinversekinematicscalculationofthemodifiedD-HmodeliscarriedoutinMATLAB,andthevisualsimulationofthemanipulatoriscarriedout.Thesimulationresultsareingoodagreemen
5、twiththoseofthemathematicalfunctionformula,whichshowsthecorrectnessofthetheoreticalmodelandthealgorithm,thuslayingasolidfoundationforthefollowingtrajectoryplanningandcontrolsystemofthemanipulator.Keywords:manipulator;kinematics;D-H;modelingandsimulation0引言1机械臂运动学系统建模机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某1.15R
6、机器人模型[1]些操作和移动作业任务的机械装置。机器人最主要的自行设计的机械臂整个结构为空间关节型的,其装配执行机构是机械臂,它是由一系列连杆通过转动或移动关示意图如图1所示。该机械臂具有五个自由度,分别为:节串联而成的。机械臂位置控制是机械人控制的核心,机腰关节、肩关节、臂关节、肘关节、腕关节,均为转动关节。械臂位置控制主要涉及到机器人运动学原理,机器人运动其中底盘(腰关节)实现机械臂本体机构的转动;底盘与学原理包括正、逆运动。最早提出机械臂正运动学模型的大臂、小臂三个关节实现空间位置的定位;腕关节两个自是Danevit和Hartenberg给出的D-H模型,但该模型存在由度实现
7、俯仰和摆动,通过改变手爪的位姿,方便负载的参数不易辨别,奇异点等问题。此后,Stone、Judd等人对抓取。模型进行了改进和修正,逐渐克服奇异点等问题。机械臂采用这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构逆运动学求解主要包括封闭解法和数值解法。由于数值及其后面串联的定向结构或手腕组成的。这样设计出来解法较封闭解法难于实时控制,因此机械臂在结构设计上的机器人都具有封闭解。另外,定位结构都采用简单结构一般采用固定设计模式,使设计出来的机械臂具有封闭解连杆转角为0或90°的形
