基于MATLAB Robtics Toolbox的机械臂轨迹仿真研究

基于MATLAB Robtics Toolbox的机械臂轨迹仿真研究 摘要：本文基于MATLABRobticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00机械臂仿真模型，并进行机械臂正逆运动学仿真，验证模型的正确性。最后，采用七次多项式插值算法完成机械臂轨迹规划。结果说明。算法准确合理，可为后续机械臂控制设计提供依据。关键词：MATLABRobticsToolbox;仿真模型;运动学分析;轨迹规划中图分类号：TP241文献标识码：A文章编号：1003-5168202104-0054-03Abstract：Inthispaper，asimulationmodelofMOTOMAN-HP0020D-A00manipulatorwasestablishedbasedontheMATLABRoboticstoolbox，andtheforwardandinversekinematicsofthemanipulatorweresimulatedtoverifythecorrectnessofthemodel.Finally，thesevendegreepolynomialinterpolationalgorithmwasusedtocompletethetrajectoryplanningofthemanipulator.Theresultsshowthatthealgorithmisaccurateandreasonable，whichcanprovidethebasisforthesubsequentcontroldesignofthemanipulator.Keywords：MATLABRobticsToolbox;simulationmodel;kinematicsanalysis;trajectoryplanning随着科技的快速开展，智能制造成为工业生产的核心方向。工业机械臂是先进设计制造中不可或缺的生产设备。对机械臂的运动特性进行研究是进行机器人技术研究的前提，也是机器人研究的重要环节【1】。在当前的教学中，用实体机械臂进行实践教学代价非常大，因而应用仿真软件研究机械臂特性尤为重要【2】。通过仿真软件可以建立机械臂模型，进行图形仿真，模拟动态特性，直观展示机械臂的工作空间和位姿形态，并获得运动过程中的参数曲线和其他重要信息。这更有利于使用者掌握运动规律，从而规划机械臂的运动特性3-4。本文基于MATLABRobticsToolbox进行机器人学仿真，拟应用于实验教学中，对实验室多功能机械臂MOTOMAN-HP0020D-A00进行仿真研究。1MOTOMAN-HP0020D-A00机械臂模型建立多功能机械臂MOTOMAN-HP0020D-A00主要由基座、上臂、下臂、手臂和手腕组成，如图1所示。有六个自由度，均为旋转关节，J1轴为基座回转运动，J2轴为上臂倾动，J3轴为下臂倾动，J4轴实现手臂横摆，J5轴为手腕俯仰，J6轴为手腕回转。多功能机械臂MOTOMAN-HP0020D-A00相关参数主要参数如表1所示。机械臂的结构模型后，采用改进的D-H法建立MOTOMAN数学模型【5】，其连杆参数和关节变量如表2所示。建立多功能机械臂MOTOMAN-HP0020D-A00的参数模型后，基于MATLABRobticsToolbox中的link函数构建机械臂仿真模型。其中，link函数的调用格式为：基于drivebotr函数得到空间位姿，如图2所示，初始位姿时各个关节角均为零。通过控制各关节滑块实现机器人不同位姿运动。2机械臂运动学仿真机械臂运动学是机器人进行轨迹规划、控制的根底【6】。基于前述机械臂的仿真模型，在机器人工具箱中，对多功能机械臂MOTOMAN-HP0020D-A00进行机器人正逆运动学仿真。利用fkine对机械臂进行正运动学仿真，求取MOTOMAN-HP0020D-A00末端执行器的位姿变换矩阵。取六个关节的关节向量为q=/2，-/3，-/2，/5，/3，/6，调用函数格式为：在MATLAB中求解出机械臂的末端位姿在基座下的变换矩阵T为：逆运动学是末端执行器变换矩阵T，逆解出各关节变量【7】。在MATLABRobtics中基于ikine函数实现逆运动学仿真计算。函数格式为：据此可求解出qi=1.5708，-1.0472，-1.5708，0.6283，1.0472，0.5236。由此可知，仿真結果中q=qi，可见，在MATLABRobticsToolbox中模型建立正确。3机械臂轨迹规划对于机器人从起始点Q0到运动到终止点Q1的过程，采用七次多项式插值对该轨迹进行规划。在MATLABRobticsToolbox中调用jtraj函数完成插值轨迹规划，采用plot函数仿真过程的末端轨迹状况以及机械臂六个关节的运动参数8。末端轨迹图如图3所示。在运动时间向量t=0：0.05：4条件下，采用subplot函数求取机械臂末端X方向、Y方向和Z方向的末端位移图。调用格式为：subplot311，plott，squeezeT1，4，：，xlabel时间/s，ylabel位移/mm，title末端位移图采用subplot函数求取机械臂末端执行器位移、速度和加速度并展示。机械臂方向位移如图4，末端关节的位移、速度和加速度图如图5所示。从图4和图5可得出，机械臂从初始点到终止点运动过程随时间的变化曲线及X、Y、Z三个方向运动过程随时间的变化情况，运动过程中，曲线无拐点和突变且平滑连续，机械臂在运动过程中结构稳定，无振动。由此可知，应用MATLABRobticsToolbox建立机械臂模型正确，符合MOTOMAN机械臂运动要求，且该轨迹規划方法设计合理。4结语本文基于改进的D-H方法，利用MATLABRoboticsToolbox建立MOTOMAN-HP0020D-A00机械臂仿真模型，并进行了机械臂运动学仿真。仿真结果证明了力运动学模型建立的正确性。同时采用七次多项式插值进行机械臂运动过程的轨迹规划，仿真得到机械臂末端轨迹图像，通过姿态分析求得机械臂从初始点到终止点过程中X、Y、Z方向的运动参数，仿真结果验证了轨迹算法的合理性和准确性，为后续机器人研究分析打下坚实的根底。参考文献：【1】孙斌.六轴工业机器人的离线编程与仿真系统研究D.太原：太原理工大学，2021.【2】左富勇，胡小平，谢珂，等.基于MATLABRobotics工具箱的SCARA机器人轨迹规划与仿真J.湖南科技大学学报自然科学版，20212：43-46.【3】谢斌，蔡自兴.基于MATLABRoboticsToolbox的机器人学仿真实验教学J.计算机教育，202119：144-147.【4】刘长柱，曹岩，贾峰，等.基于MATLABRobotics的SCARA机器人运动学分析及轨迹规划J.机电工程技术，20214：121-125.【5】何价来，罗金良，宦朋松，等.基于蒙特卡洛法的七自由度拟人机械臂工作空间分析J.组合机床与自动化加工技术，20213：48-51.2021.方法研究J.机械设计与制造，20217：250-253，257.8乐英，岳艳波.六自由度机器人运动学仿真及轨迹规划J.组合机床与自动化加工技术，20214：89-92.