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1、基于MATLAB Robtics Toolbox的機(jī)械臂軌跡仿真研究
摘要:本文基于MATLABRobticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂仿真模型,并進(jìn)行機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,驗(yàn)證模型的正確性。最后,采用七次多項(xiàng)式插值算法完成機(jī)械臂軌跡規(guī)劃。結(jié)果說明。算法準(zhǔn)確合理,可為后續(xù)機(jī)械臂控制設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞:MATLABRobticsToolbox;仿真模型;運(yùn)動(dòng)學(xué)分析;軌跡規(guī)劃
中圖分類號(hào):TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(jī)械臂是先進(jìn)設(shè)計(jì)制造中不可或缺的生產(chǎn)設(shè)備。對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究是進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的前提,也是機(jī)器人研究的重要環(huán)節(jié)【1】。
在當(dāng)前的教學(xué)中,用實(shí)體機(jī)械臂進(jìn)
4、行實(shí)踐教學(xué)代價(jià)非常大,因而應(yīng)用仿真軟件研究機(jī)械臂特性尤為重要【2】。通過仿真軟件可以建立機(jī)械臂模型,進(jìn)行圖形仿真,模擬動(dòng)態(tài)特性,直觀展示機(jī)械臂的工作空間和位姿形態(tài),并獲得運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,從而規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)特性[3-4]。
本文基于MATLABRobticsToolbox進(jìn)行機(jī)器人學(xué)仿真,擬應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,對(duì)實(shí)驗(yàn)室多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進(jìn)行仿真研究。
1MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂模型建立
多功能機(jī)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(gè)自由度,均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),J1軸為基座回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),J2軸為上臂傾動(dòng),J3軸為下臂傾動(dòng),J4軸實(shí)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(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相關(guān)參數(shù)主要參數(shù)如表1所示。
機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)模型后,采用改進(jìn)的D-H法建立MOTOMAN數(shù)學(xué)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(jī)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(jī)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(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)角均為零。通
6、過控制各關(guān)節(jié)滑塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同位姿運(yùn)動(dòng)。
2機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真
機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)是機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃、控制的根底【6】?;谇笆鰴C(jī)械臂的仿真模型,在機(jī)器人工具箱中,對(duì)多功能機(jī)械臂MOTOMAN-HP0020D-A00進(jìn)行機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
利用fkine對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,求取MOTOMAN-HP0020D-A00末端執(zhí)行器的位姿變換矩陣。取六個(gè)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(jī)械臂的末端位姿在基座下的變換矩陣[T]為:
逆運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shí)現(xiàn)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真計(jì)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(jī)械臂軌跡規(guī)劃
對(duì)于機(jī)器人從起始點(diǎn)[Q0]到運(yùn)動(dòng)到終止點(diǎn)[Q1]的過程,采用七次多項(xiàng)式插值對(duì)該軌跡進(jìn)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(jī)械臂六個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)[8]。末端軌跡圖如圖3所示。
在運(yùn)動(dòng)時(shí)間向量
8、[t]=[0:0.05:4]條件下,采用subplot函數(shù)求取機(jī)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(shí)間/s〕,ylabel〔位移/mm〕,title〔末端位移圖〕
采用subplot函數(shù)求取機(jī)械臂末端執(zhí)行器位移、速度和加速度并展示。機(jī)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(jī)械臂從初始點(diǎn)到終止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過程隨時(shí)間的變化曲線及[X、Y、Z]三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)過程隨時(shí)間的變化情況,運(yùn)動(dòng)過程中,曲線無拐點(diǎn)和突變且平滑連續(xù),機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)
9、過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,無振動(dòng)。由此可知,應(yīng)用MATLABRobticsToolbox建立機(jī)械臂模型正確,符合MOTOMAN機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)要求,且該軌跡規(guī)劃方法設(shè)計(jì)合理。
4結(jié)語(yǔ)
本文基于改進(jìn)的D-H方法,利用MATLABRoboticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00機(jī)械臂仿真模型,并進(jìn)行了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。仿真結(jié)果證明了力運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立的正確性。同時(shí)采用七次多項(xiàng)式插值進(jìn)行機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程的軌跡規(guī)劃,仿真得到機(jī)械臂末端軌跡圖像,通過姿態(tài)分析求得機(jī)械臂從初始點(diǎn)到終止點(diǎn)過程中[X、Y、Z]方向的運(yùn)動(dòng)參數(shù),仿真結(jié)果驗(yàn)證了軌跡算法的合理性和準(zhǔn)確性,為后續(xù)機(jī)器人研究分析打下堅(jiān)實(shí)的根底。
10、
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