基于MATLAB 的机器人运动仿真研究.pdf

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1、第44卷第5期厦门大学学报（自然科学版）Vol.44No.52005年9月JournalofXiamenUniversity（NaturalScience）Sep.2005基于MATLAB的机器人运动仿真研究罗家佳，胡国清（厦门大学机电工程系，福建厦门361005）摘要：按照一定的要求对一种柱面坐标机器人进行了参数设计，讨论了该机器人的运动学问题，然后在MATLAB环境下，用RoboticsToolbox对该机器人的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行了仿真.通过仿真，观察到了机器人各个关节的运动，并得到了所需的数据，说明

2、了所设计的参数是正确的，从而能够达到预定的目标.关键词：机器人；柱面坐标；轨迹规划；仿真；MATLAB；RoboticsToolbox中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：0438-0479（2005）05-0640-05随着科技的发展，机器人与人类的联系日益密切.1柱面坐标机器人参数设计出于对机器人的兴趣和关注，人们更加想了解机器人，学习机器人，因此，进行机器人的教学和培训就显得尤1.1D-H变换为重要.然而，机器人是一个比较昂贵的设备，在进行为描述相邻杆件间平移和转动的关系，Denavit和机器人教学时，不可

3、能用许多实际的机器人来作为教Hartenber（g1955）提出了一种为关节链中的每一杆件学和培训的试验设备.这时，就有必要用到机器人仿真建立附体坐标系的矩阵方法.D-H方法是为每个关节系统，它可为此提供一个方便、灵活的试验工具和手处的杆件坐标系建立4×4齐次变换矩阵，表示它与前［1～3］段.［4，5］一杆件坐标系的关系，其原理如下：对机器人进行图形仿真，可以将机器人仿真的结OXYZ：与固定坐标相连的固定参考坐标系，称为果以图形的形式表示出来，从而直观地显示出机器人基坐标系.的运动情况，得到从数据曲线或数据本身难以分析

4、出OiXiYiZi：与机器人的第i个杆件相固连，坐标原［3］来的许多重要信息，还可以从图形上看到机器人在点在第i+1关节的中心点处.一定控制条件下的运动规律.确定和建立每个坐标系遵循以下三条规则：［4，5］对于机器人运动学，在国内的相关著作中，讨1）Zi-1轴沿着第i关节的运动轴；论较多的是PUMA和斯坦福机器人.本文则讨论一种2）Xi轴垂直于Zi-1轴及Zi轴并指向离开Zi-1轴柱面坐标机器人，同时选用MATLAB语言进行仿真.的方向；目前MATLAB已经成为控制界上最流行的软件之一，3）Yi轴按右手坐标系的要求建立

5、.它除了传统的交互式编程之外，还提供了丰富可靠的同时，刚性杆件的D-H表示法取决于连杆的以下矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、Windows编四个参数：［6，7］程等便利工具.随着MATLAB在中国逐渐流行，它θi：两连杆的夹角；将成为在PC机上进行机器人仿真的理想方式.基于di：两连杆的距离；以上叙述，本文首先设计了柱面坐标机器人的各连杆ai：连杆的长度（即Zi-1轴和Zi轴间的最小距参数，然后详细讨论了正、逆运动学算法，轨迹规划问离）；［8］题，最后在MATLAB环境下，运用RoboticsToolbox，α

6、i：连杆的扭转角.编制简单的程序语句，快速完成了运动学仿真.在仿真对于转动关节，θi是关节变量，其余为关节参数过程中，不仅直观地观测到了机器人的运动情况，还得（保持不变）；对于移动关节，di是关节变量，其余为关到了所需的数据，且以图形的形式显示了出来.节参数.1.2机器人参数设计收稿日期：2004-10-11柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂（或基金项目：福建省重点科技项目（98-H-36）资助机械手）和底座构成.水平机械手装在垂直柱子上，能作者简介：罗家佳（1981-），男，硕士研究生.自由伸缩，并可沿垂直柱子上

7、下运动.垂直柱子安装在第5期罗家佳等：基于MATLAB的机器人运动仿真研究·641·底座上，并与水平机械手一起能在底座上移动.因此，这种机器人的工作区间就形成一段段圆柱面.通常的柱面坐标机器人有三个自由度.对于本文叙述的柱坐标机器人（参见图1（a）；图1中关节2和关节3位移量分别为180.0mm和185.0mm），为了能够满足更多的任务需求，设计为六自由度机器人，共有六个关节.它的第一个关节为转动关节，第二、三个关节均为移动关节，最后三个关节均为转动（a）（b）关节.前三个关节确定手臂的位置，后三个关节确定手图1“ro

8、bot001”的实体模型及其连杆坐标系臂的姿态.我们为该柱坐标机器人取名为“robot001”，Fig.1Thesolidmodelingandcoordinateframesof具体参数见表1.“robot001”下面，我们对该机器人参数设计所要达到的目标及设计情况进行简要的叙述.文中设计的柱坐标机器écosθi-cosαisi