基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析及仿真.pdf

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1、基于MATLAB的六自由度工业机器人运动分析及仿真摘要：以FANUCARCmate100工业机器人为研究对象，对其机构和连杆参数进行分析，采用D-H法对机器人进行正运动学和逆运动学分析，建立运动学方程。在MATLAB环境下，运用机器人工具箱进行建模仿真，仿真结果证明了所建立的运动学正、逆解模型的合理性和正确性。关键词:FANUCARCmate100工业机器人;运动学;MATLAB建模仿真1引言工业机器人技术是在控制工程、人工智能、计算机科学和机构学等多种学科的基础上发[1]展起来的一种综合性技术。经过多年的发展，该项技术已经取得了实质性的进步。工业机器人的发展水平随着科技的进步和

2、工业自动化的需求有了很大的提高，同时工业机器人技术也得到了进一步的完善。工业机器人的运动学分析主要是通过工业机器人各个连杆和机构参数，以确定末端执行器的位姿。工业机器人的运动学分析包括正运动学分析和逆运动学分析。随着对焊接件要求的提高，弧焊等机器人的需求越来越多。本文就以FANUCARCmate100机器人J4为研究对象，通过分析机构和连杆参数，运用D-HJ3参数法建立坐标系，求出连杆之间的位姿矩阵，建J2立工业机器人运动学方程。并在MATLAB环境下，J6J5利用RoboticsToolbox进行建模仿真。2FANUCARCmate100D-H坐标系的建立mate100是FAN

3、UC公司生产的6自由度工业机器人，包括底J1座、机身、臂、手腕和末端执行器，每个自由度对应一个旋转关节，如图1所示。图1FANUCARCmate100机器人三维模型DENAVIT和HARTENBERG于1955年提出了一种为关节链中的每一个杆件建立坐标系的矩阵方法，即D-H参数法，在机器人运动学分析得到了广泛运用。采用这种方法建立坐标系:(1)Zi轴沿关节i+1的轴线方向。(2)Xi轴沿Zi-1和Zi轴的公法线方向，且指向背离Zi-1轴的方向。(3)Yi轴的方向必须满足Yi=Zi*Xi，使坐标系为右手坐标系。按照上述方法，建立坐标系如图2所示。xx4z4x53z3oyoz5yo4

4、4533y5d4d6xzy6a322o646zoy35622a2x62z1a1o1x1y11d1z0y0xo00图2mate100D-H坐标系连杆参数的表示:(1)连杆长度ai为沿Xi轴方向测量，Zi-1到Zi公垂线的长度。(2)杆件扭角αi为绕Xi轴正向转动为正，Zi-1到Zi的转角。(3)关节距离di为沿Zi-1轴指向为正，Xi-1到Xi的距离。(4)关节转角θi为绕Zi-1轴正向转动为正，Xi-1到Xi的转角。由此得出FANUCARCmate100相应各杆件的结构参数和运动参数，如表1所示。表1mate机器人D-H参数连杆iai/mmαi/(°)di

5、/mmθi/(°)关节范围/(°)1210-90697θ1-165~165260000θ2-105~135399-900θ3-145~1804090548θ4-190~19050-900θ5-140~140600119θ6-270~2703运动学方程建立3.1运动学正解运动学正解是指由机器人的各个关节的旋转角度位姿变换矩阵求解机器人末端执行器的位姿，进而实现关节空间到笛卡尔坐标空间的转换。相邻连杆齐次变换矩阵为：TRot(z,)Trans(0,0,d)Trans(a,0,0)Rot(x,)iiiiicosisinicosisinisiniaicosis

6、incoscoscossinasiniiiiiii0sincosdiii(1)0001T1描述了第一根连杆相对于某个坐标系(如机身)的位姿，T2描述了第二根连杆相对于第一根连杆坐标系的位姿。根据表1mate100机器人的D-H参数和齐次坐标变换矩阵公式可以求出Ti为c10s1a1c1c2s20a2c2c30s3a3c3s10c1as1s2c20as2s30c3as3T1T2T3123010d001001001000100010001c40s40c50

7、s50c6s600s40c40s50c50s6c600TTT(2)456010d0100001d46000100010001nxoxaxpxnoapTTTTTTTyyyy60123456noapzzzz0001(3)式中nc1c23c4c5c6s4s6s23s5c6s1s4c5c6c4s6xns1c23c4c5c6s4s6s23s5c6c