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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,说明了所设计的参数
2、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:043820479(2005)0520640205随着科技的发展,机器人与人类的联系日益密切.出来.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柱面坐标机器人参数设计为重要.然而,机器人是一个比较昂贵的设备,在进行1.1D2H变换机器人教学时,不可能用许多实际的机器人来作为教为描述相邻杆件间平移和转动的关系,Denav
3、it和学和培训的试验设备.这时,就有必要用到机器人仿真Hartenberg(1955)提出了一种为关节链中的每一杆件系统,它可为此提供一个方便、灵活的试验工具和手建立附体坐标系的矩阵方法.D2H方法是为每个关节[1～3]段.处的杆件坐标系建立4×4齐次变换矩阵,表示它与前对机器人进行图形仿真,可以将机器人仿真的结[4,5]一杆件坐标系的关系,其原理如下:果以图形的形式表示出来,从而直观地显示出机器人OXYZ:与固定坐标相连的固定参考坐标系,称为的运动情况,得到从数据曲线或数据本身难以分析出基坐标系.[3]来的许多重要信息,还可以从图
4、形上看到机器人在OiXiYiZi:与机器人的第i个杆件相固连,坐标原一定控制条件下的运动规律.点在第i+1关节的中心点处.[4,5]对于机器人运动学,在国内的相关著作中,讨确定和建立每个坐标系遵循以下三条规则:论较多的是PUMA和斯坦福机器人.本文则讨论一1)Zi-1轴沿着第i关节的运动轴;种柱面坐标机器人,同时选用MATLAB语言进行仿2)Xi轴垂直于Zi-1轴及Zi轴并指向离开Zi-1轴真.目前MATLAB已经成为控制界上最流行的软件的方向;之一,它除了传统的交互式编程之外,还提供了丰富可3)Yi轴按右手坐标系的要求建立.靠的矩
5、阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理、Win2同时,刚性杆件的D2H表示法取决于连杆的以下[6,7]dows编程等便利工具.随着MATLAB在中国逐四个参数:渐流行,它将成为在PC机上进行机器人仿真的理想θi:两连杆的夹角;方式.基于以上叙述,本文首先设计了柱面坐标机器人di:两连杆的距离;的各连杆参数,然后详细讨论了正、逆运动学算法,轨ai:连杆的长度(即Zi-1轴和Zi轴间的最小距迹规划问题,最后在MATLAB环境下,运用Robotics离);[8]Toolbox,编制简单的程序语句,快速完成了运动学αi:连杆的扭转角.仿真.在
6、仿真过程中,不仅直观地观测到了机器人的运对于转动关节,θi是关节变量,其余为关节参数动情况,还得到了所需的数据,且以图形的形式显示了(保持不变);对于移动关节,di是关节变量,其余为关节参数.收稿日期:20042102111.2机器人参数设计基金项目:福建省重点科技项目(982H236)资助柱面坐标机器人主要由垂直柱子、水平手臂(或机作者简介:罗家佳(1981-),男,硕士研究生.械手)和底座构成.水平机械手装在垂直柱子上,能自第5期罗家佳等:基于MATLAB的机器人运动仿真研究·641·由伸缩,并可沿垂直柱子上下运动.垂直柱子安装
7、在底座上,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,最后三个关节均为图1“robot001”的实体模型及其连杆坐标系转动关节.前三个关节确定手臂的位置,后三个关节确Fig.1Thesolidmodelingandcoordinatefra
8、mesof“ro2定手臂的姿态.我们为该柱坐标机器人取名为bot001”“robot001”,具体参数见表1.i-1下面,我们对该机器人参数设计所要达到的目标Ai=及设计情况进行简要的叙述.文中设计的柱坐标机器cosθi-cosαis
