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1、基于MATLAB Robtics Toolbox的機械臂軌跡仿真研究
摘要:本文基于MATLABRobticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機械臂仿真模型,并進行機械臂正逆運動學仿真,驗證模型的正確性。最后,采用七次多項式插值算法完成機械臂軌跡規(guī)劃。結(jié)果說明。算法準確合理,可為后續(xù)機械臂控制設計提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:MATLABRobticsToolbox;仿真模型;運動學分析;軌跡規(guī)劃
中圖分類號:TP241文獻標識碼:A文章編號:1003-5168〔2021〕04-0054-03
Abstract:Inthispaper,asimulationmodelo
2、fMOTOMAN-HP0020D-A00manipulatorwasestablishedbasedontheMATLABRoboticstoolbox,andtheforwardandinversekinematicsofthemanipulatorweresimulatedtoverifythecorrectnessofthemodel.Finally,thesevendegreepolynomialinterpolationalgorithmwasusedtocompletethetrajectoryplanningofthemanipulator.Theresultsshowthatt
3、healgorithmisaccurateandreasonable,whichcanprovidethebasisforthesubsequentcontroldesignofthemanipulator.
Keywords:MATLABRobticsToolbox;simulationmodel;kinematicsanalysis;trajectoryplanning
隨著科技的快速開展,智能制造成為工業(yè)生產(chǎn)的核心方向。工業(yè)機械臂是先進設計制造中不可或缺的生產(chǎn)設備。對機械臂的運動特性進行研究是進行機器人技術(shù)研究的前提,也是機器人研究的重要環(huán)節(jié)【1】。
在當前的教學中,用實體機械臂進
4、行實踐教學代價非常大,因而應用仿真軟件研究機械臂特性尤為重要【2】。通過仿真軟件可以建立機械臂模型,進行圖形仿真,模擬動態(tài)特性,直觀展示機械臂的工作空間和位姿形態(tài),并獲得運動過程中的參數(shù)曲線和其他重要信息。這更有利于使用者掌握運動規(guī)律,從而規(guī)劃機械臂的運動特性[3-4]。
本文基于MATLABRobticsToolbox進行機器人學仿真,擬應用于實驗教學中,對實驗室多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進行仿真研究。
1MOTOMAN-HP0020D-A00機械臂模型建立
多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕組成,如圖1所示。有
5、六個自由度,均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),J1軸為基座回轉(zhuǎn)運動,J2軸為上臂傾動,J3軸為下臂傾動,J4軸實現(xiàn)手臂橫擺,J5軸為手腕俯仰,J6軸為手腕回轉(zhuǎn)。多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關(guān)參數(shù)主要參數(shù)如表1所示。
機械臂的結(jié)構(gòu)模型后,采用改進的D-H法建立MOTOMAN數(shù)學模型【5】,其連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表2所示。
建立多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00的參數(shù)模型后,基于MATLABRobticsToolbox中的link函數(shù)構(gòu)建機械臂仿真模型。其中,link函數(shù)的調(diào)用格式為:
基于drivebot〔r〕函數(shù)得到空間位姿,如圖2所示,初始位姿時各個關(guān)節(jié)角均為零。通
6、過控制各關(guān)節(jié)滑塊實現(xiàn)機器人不同位姿運動。
2機械臂運動學仿真
機械臂運動學是機器人進行軌跡規(guī)劃、控制的根底【6】?;谇笆鰴C械臂的仿真模型,在機器人工具箱中,對多功能機械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進行機器人正逆運動學仿真。
利用fkine對機械臂進行正運動學仿真,求取MOTOMAN-HP0020D-A00末端執(zhí)行器的位姿變換矩陣。取六個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)向量為[q=[π/2,-π/3,-π/2,π/5,π/3,π/6]],調(diào)用函數(shù)格式為:
在MATLAB中求解出機械臂的末端位姿在基座下的變換矩陣[T]為:
逆運動學是末端執(zhí)行器變換矩陣[T],逆解出各關(guān)節(jié)變量【7】。在MATLA
7、BRobtics中基于ikine函數(shù)實現(xiàn)逆運動學仿真計算。函數(shù)格式為:
據(jù)此可求解出[qi]=[1.5708,-1.0472,-1.5708,0.6283,1.0472,0.5236]。
由此可知,仿真結(jié)果中[q=qi],可見,在MATLABRobticsToolbox中模型建立正確。
3機械臂軌跡規(guī)劃
對于機器人從起始點[Q0]到運動到終止點[Q1]的過程,采用七次多項式插值對該軌跡進行規(guī)劃。在MATLABRobticsToolbox中調(diào)用jtraj函數(shù)完成插值軌跡規(guī)劃,采用plot函數(shù)仿真過程的末端軌跡狀況以及機械臂六個關(guān)節(jié)的運動參數(shù)[8]。末端軌跡圖如圖3所示。
在運動時間向量
8、[t]=[0:0.05:4]條件下,采用subplot函數(shù)求取機械臂末端[X]方向、[Y]方向和[Z]方向的末端位移圖。調(diào)用格式為:
subplot〔311〕,plot〔t,squeeze〔T〔1,4,:〕〕〕,xlabel〔時間/s〕,ylabel〔位移/mm〕,title〔末端位移圖〕
采用subplot函數(shù)求取機械臂末端執(zhí)行器位移、速度和加速度并展示。機械臂方向位移如圖4,末端關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度圖如圖5所示。
從圖4和圖5可得出,機械臂從初始點到終止點運動過程隨時間的變化曲線及[X、Y、Z]三個方向運動過程隨時間的變化情況,運動過程中,曲線無拐點和突變且平滑連續(xù),機械臂在運動
9、過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,無振動。由此可知,應用MATLABRobticsToolbox建立機械臂模型正確,符合MOTOMAN機械臂運動要求,且該軌跡規(guī)劃方法設計合理。
4結(jié)語
本文基于改進的D-H方法,利用MATLABRoboticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機械臂仿真模型,并進行了機械臂運動學仿真。仿真結(jié)果證明了力運動學模型建立的正確性。同時采用七次多項式插值進行機械臂運動過程的軌跡規(guī)劃,仿真得到機械臂末端軌跡圖像,通過姿態(tài)分析求得機械臂從初始點到終止點過程中[X、Y、Z]方向的運動參數(shù),仿真結(jié)果驗證了軌跡算法的合理性和準確性,為后續(xù)機器人研究分析打下堅實的根底。
10、
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