空间六自由度多关节机器人连续工作容积仿真的研究

六自由度机械臂运动学分析与仿真研究

肖俊明;韩伟;王瑷珲;李继朋;梁旺

【摘 要】运用D-H参数法确定机械臂的参数、坐标系,建立机械臂的运动学方程.在Matlab软件中进行数值计算,通过分析机械臂的工作空间,得到了机械臂工作空间图.在Matlab工作环境下,用机器人工具箱Robotics Toolbox对所建六自由度机械臂运动学模型的正运动学、逆运动学、轨迹规划进行验证与仿真,得到了各关节的角位移、角速度、角加速度与时间的关系曲线.研究表明,该机械臂运动空间设计直观、精确,为机械臂控制系统设计、动力学分析及轨迹规划提供了理论基础和参考依据.

【期刊名称】《中原工学院学报》

【年(卷),期】2018(029)004

【总页数】7页(P77-83)

【关键词】机械臂;六自由度;运动学;仿真

【作 者】肖俊明;韩伟;王瑷珲;李继朋;梁旺

【作者单位】中原工学院电子信息学院,河南郑州450007;中原工学院电子信息学院,河南郑州450007;中原工学院电子信息学院,河南郑州450007;中原工学院电子信息学院,河南郑州450007;中原工学院电子信息学院,河南郑州450007

【正文语种】中 文

【中图分类】TP242

20世纪60年代初机器人问世以来，机器人技术逐步取得了实质性的进步与成果[1]，目前已被应用于很多行业，在航空航天、汽车工业、海洋探索、医疗手术等行业的高科技领域发挥着重要作用，促进了人们生活的改善。机械臂是最早应用于实际生产领域的一种机器人[2]。其中，串联机械臂应用最为广泛，它是由若干通过关节连接在一起的连杆组成的具有多个自由度的开链型连杆机构。它的一端固定在基座上，另一端为末端执行器，主要进行抓取操作，中间部分是由若干带驱动的转动或移动关节串联而成的机构体。机械臂运动学研究的是各连杆关节的运动与机械臂各部分(一般为末端执行器)的位置、姿态之间的数学关系。研究这种关系是设计机械臂运动控制器所必需的。机械臂运动学的研究主要有正运动学问题和逆运动学问题两类。由已知机械臂各关节的角度位置和各连杆的长度，计算末端执行器相对基坐标系原点的位置与姿态，即为正运动学问题。要使末端执行器运动到期望的位置与姿态，就必须计算出各关节此时此刻的位置角度，即为逆运动学问题。

多关节机器人工作空间仿真方法

林海峰;王姮

【摘 要】Multi-joint robot workspace is an important index to reflect the

ability of robot motion . The paper put forward a simplified multi-joint

robot workspace simulation method , with no need to solve the forward

kinematics equation , as long as accord-ing to the simple robot joint

transform parameters that can be quickly obtained the motion space

through simulation . Taking the Brokk50 robot as an example , first

established the D-H transformation diagram and determine the

transformation parameters , then establish simulation model with Matlab

simulation tools and verified parameter accuracy . Finally , using the

proposed new method quickly obtain the workspace . To be able to

provide the reference for multi-joint robot′s design improvements ,

teleoperation and trajectory planning .%多关节机器人的工作空间是反映机器人运动能力的一个重要指标。提出了一种简化的多关节机器人工作空间仿真方法，可以不用求解正运动学方程，只要根据简单的机器人关节变换参数就可以通过仿真迅速得到其运动空间。以 Brokk50机器人为例，首先建立其 D-H 变换坐标图并确定变换参数，然后以 Matlab 为仿真工具建立仿真模型并验证参数正确性，最后运用提出的新方法快速求出其运动空间。从而能够为多关节机器人的设计改进、遥操作和轨迹规划等工作提供参考。

六自由度机器人结构设计、

运动学分析及仿真

学 科：机电一体化

姓 名： 袁杰

指导老师：鹿毅

答辩日期： 2012.6

摘要

近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获

得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此

研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义

的。

典型的工业机器人例如焊接机器人、喷漆机器人、装配机器人等大多是固定在

生产线或加工设备旁边作业的，本论文作者在参考大量文献资料的基础上，结合项

目的要求，设计了一种小型的、固定在AGV 上以实现移动的六自由度串联机器人。

首先，作者针对机器人的设计要求提出了多个方案，对其进行分析比较，选择 其中最优的方案进行了结构设计；同时进行了运动学分析，用D-H 方法建立了坐标变换矩阵，推算了运动方程的正、逆解；用矢量积法推导了速度雅可比矩阵，并计算了包括腕点在内的一些点的位移和速度；然后借助坐标变换矩阵进行工作空间分析，作出了实际工作空间的轴剖面。这些工作为移动式机器人的结构设计、动力学分析和运动控制提供了依据。最后用ADAMS 软件进行了机器人手臂的运动学仿

真，并对其结果进行了分析，对在机械设计中使用虚拟样机技术做了尝试，积累了

经验。

第1 章绪论

1.1 我国机器人研究现状

机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动

作业任务的机械装置。

机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及

人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。

我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，北京自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995

2010年5月第17卷第3期控制工程ControlEngineeringofChinaMay2010Vo.l17,No.3文章编号:1671-7848(2010)03-0388-05

收稿日期:2008-10-07; 收修定稿日期:2009-03-05 基金项目:国家/863计划0资助项目(2007AA04Z226);国家自然科学基金资助项目(60774077);北京市教委重点基金资助项目(KZ200810005002) 作者简介:孙 亮(1951-),男,北京人,副教授,研究生,主要从事学习控制,智能系统等方面的教学与科研工作;阮晓钢(1958-),男,教授,博士生导师。六自由度机械臂轨迹规划与仿真研究孙 亮,马 江,阮晓钢(北京工业大学电子信息与控制工程学院,北京100124)摘 要:针对六自由度链式机械臂在进行正运动学、逆运动学以及轨迹规划仿真时,不易直观地验证运动学算法的正确性和轨迹规划的效果,在正确建立机械臂数学模型的基础上,重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法,并采用三维运动仿真进行了验证。开发了一套六自由度机械臂三维仿真软件,该仿真软件在VC++610开发平台上,首先利用分割类将基于MFC框架的窗口分割成为控制窗口和视图窗口两部分,然后利用OpenGL的图形库对机械臂进行建模,首次将正运动学、逆运动学以及轨迹规划算法融入其中开发而成。该仿真软件有效地验证了机械臂运动学模型建立的正确性,同时也对三次多项式和五次多项式两种轨迹规划方法做了直观的比较,结果表明后一种轨迹规划效果明显优于前一种。关 键 词:机械臂;运动学分析;轨迹规划;运动仿真中图分类号:TP241;TP391 文献标识码:ATrajectoryPlanningandSmiulationof6-DOFManipulatorSUNLiang,MAJiang,RUANXiao-gang(CollegeofElectronicInformationandControlEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)Abstract:ConsideringthatthekinematicalgorithmcorrectnessandtrogecoryplaningresultsarenoteasytovisuallgverifyfortheKme-maticanalysis,inversekinematicsanalysisandtrajectoryplanningsimlaionainingat6-DOFmanpulator,twomethodsoftrajectoryplanningbasedonjointspaceareanalyzed1Todirectlycomparetheeffectsoftwotypesofmotionplanning,a3Dmotionsimulationsof-twaresystemisdevelopedbasedonMFCandOpenGLgraphiclibraryonVC++610IDE1Theforwardkinematics,inversekinema-tics1andtrajectoryplanningalgorithmareintegratedintothesimulationsoftware1Thesimulationsoftwaresystemof6-DOFmanipulatorshowsthevalidityofthekinematicsmodel1Theresultoftrajectoryplanningmethodsofthecubicpolynomialandthefifthpolynom-ial1showsthatthelatereffectoftrajectoryplanningissuperiortoformerone1Keywords:manipulator;kinematicsanalysis;trajectoryplanning;motionsimulation1 引 言六自由度链式(6R)机械臂的轨迹规划既可以在关节空间,也可以在直角坐标空间中进行。由于在关节空间中进行轨迹规划是直接用运动时的受控变量规划轨迹,有着计算量小,容易实时控制,而且不会发生机构奇异性[1]等优点,所以经常被采用。但是这种方法难以确定各杆和末端抓持器位置,所以开发一套能够直观地监视机械臂各个部分运动的三维仿真软件变得极为重要。文献[2]在Matlab平台下开发了Robotics工具箱,能够通过函数实现对机器臂进行正、逆运动学以及轨迹规划分析,实现了简单的运动学仿真。文献[3]基于OpenGL图形库开发了一套机械臂仿真系统,实现了机械臂的正、逆运动学仿真。文献[4]利用文献[3]的方法,且通过定时器,不断刷新视图,达到了动画的效果,但是并没有提供具体的轨迹规划算法。本文首次将轨迹规划算法融入开发的六自由度机械臂三维仿真软件中,有效直观地验证了两种插值函数轨迹规划的效果。2 运动学分析机械臂坐标系,如图1所示。