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1、双臂教学机器人的运动分析及仿真第20卷第1期2006年3月河海大学常州分校JOURNALOFHOHAIUNIVERSITYCHANGZHOUV01.2ONO.1Mar.2oo6文章编号:1009—1130(2006)01—0024—04双臂教学机器人的运动分析及仿真赵小英.梅志千(河海大学机电工程学院，江苏常州213022)摘耍:为了进行双臂教学机器人控制系统的设计和方便机器人教学，对双臂教学SCARA机器人进行运动分析与仿真•给出了机器人的运动学正解和逆解，提出了一套机构简化方案.完成了机器人的各种手臂姿态规划•分析了存在的
2、运动干涉约束.最后运用运动学正解和逆解进行软件仿真设计.得出了机器人手臂的工作区域.并在工作区域内进行了圆弧运动仿真.关键词:教学机器人;运动学正解;运动学逆解;运动干涉约束;机器人仿真中图分类号:TP24文献标识码:A在机器人控制系统设计中.机器人的运动分析与仿真是确定机器人工作区域及在工作区域内进行各种运动解析的准备工作•是非常重要的环节…•目前机器人仿真一般采用EnvisiOn等专用仿真软件•很难取得仿真中的数据;也有用OpenGL进行三维实体仿真_21,但由于编程复杂，需要利用CortonaSDK等三维工具箱辅助造型.
3、虽然真实感强,但执行速度慢，存在可靠性，可移植性差等问题•本文中机器人的运动是左右两臂的平面运动，因此可采用二维仿真，应用VisimlC++6.0编程软件进行程序设计,这样不但能在仿真过程中获取仿真数据，而R可避免三维仿真中存在的问题.由于该机器人的底层控制软件也用VC开发•因此可将其和仿真软件相结合,实现对机器人运动的控制.1双臂教学机器人的运动机构简介所研究的双臂教学机器人，左右臂分别由一SCARA机械手组成•如图1所示•与传统的SCARA机器人相比•木机器人的运动只有2只机械手大小臂的摆动.故在机构设计时将右小臂6的电机
4、减速器组2放在机器人肩部3.且与右大臂5的电机减速器组8设置在同一轴线上,以降低右大臂5的负载;外杆4,大臂5及两者间的连杆组成平行四边形机构.由其解决右小臂6的传动问题［4J.左臂构造相似.不同的是左臂采用步进电机11,13驱动•而右臂采用交流伺服电机1,9驱动•部件10和12是末端执行机构•前者用于写字，绘图，后者用于抓放磁性物品.2双臂教学机器人的运动学正解与逆解图1双臂教学机器人Fig.lTwo一armteachingmanipulator2」运动学正解为了进行工作区域仿真，首先必须求运动学止解，即由手臂运动角度确定手
5、臂末端位置•下面以左臂为例求机器人的运动学正解,右臂解法类似•图2中的0A是左大臂，长为f;A是左小臂，长为f:•采用笛卡儿坐标系,0为原点，轴水平向右,Y轴垂直向上.由图2可知,若变量0和0已知，则点B的坐标e,yB),即正解为：收稿日期:2005—06—13作者简介:赵小英(1980—)，男，湖北宜城人，硕士研究生，机械电子_T程专业第加卷第1期赵小英，等双臂教学机器人的运动分析及仿真252.2运动学逆解为了验证机器人的工作区域和传动角的范围，必须求机器人的运动学逆解.逆解主要应用在手臂某种运动轨迹的实现中•即从轨迹点反解
6、岀手臂关节须运动的角度[5].在图2中，若点B的坐标(,),n),Z和Z2已知.则逆解为：:盯+ar.tan()+ar...(壁)0口211,/+yB02=lT4-arctan()—:CA式中;A=ZICOSO1,YA=/lsinOJ3双臂教学机器人仿真⑵3」机构简化图2运动学求解为了实现仿真智能化.即手臂在仿真运动过程中能自动识别极限位Fg?2s.,u,.nofk,,em,ni.置.必须对机器人的机体，手臂和四连杆机构进行简化,以获取相关位置参数•由于机器人的运动只是手臂的平面运动，因此上述各部件均可简化成平面图形.如图3(
7、a)所示.a.机体的简化.将机体简化为球场形区域EFGHIJ.其中的矩形区域PQRS高于机体的其他部分.b.四连杆机构的简化•左臂四连杆由大臂，外杆,2个关节圆，关节圆与大臂间的连杆组成，如图3(b)所示.考虑到四连杆中除大臂外其他杆件的横向尺寸在仿真智能化中不起作用，故用直线代替;由于在仿真中需要四连杆的关节参数.因此其关节以圆的形式给出.c.手臂的简化.在仿真过程中需要的手臂参数主要是手臂的外四角参数，因此可将两头大中间小的手臂部件转化成矩形部件.矩形的宽度是于臂宽度的最大值+3.2手臂姿态规划手臂姿态规划的主要任务是构造
8、不同姿态的手臂•在利用运动学正解求出机器人手臂的关节点后，便可进行手臂姿态规划•即由手臂的关节点求手臂所在矩形的四角坐标•手臂的姿态不同，四角坐标的求法也不同，对图4所示姿态的左小臂•若已知轴线AB到MIV边的距离d,关节点A到MM边的距离d,关节点连关节圆图3机器人简化圈(
