基于MATLAB-Robotics的七自由度机器人运动轨迹规划
仿真
朱 小 利
【摘 要】摘要:目的 以七自由度Sawyer机器人为例,用MATLAB中的Robotics工具箱,对机器人进行建模、示教和仿真,并对机器人在空间中2点间的运动轨迹进行规划和仿真。方法 从机器人的结构入手,采用改进的D-H方法建立机器人模型;利用MATLAB的Robotics工具箱所提供的函数对机器人进行建模、显示和示教;根据已知的初始和终止的关节角度及迭代步骤,利用五次多项式来规划机器人的运动轨迹,用Robotics工具箱提供的函数来实现机器人运动轨迹的规划、各关节的角度、角速度以及角加速度的变化过程曲线的绘制,并用fkine函数求出机器人在初始位置和终止位置处的末端姿态。结果 机器人7个运动关节从初始位置A1运动到终止位置A2的角度位置变化情况:关节1的角度位置由0逐渐变化到-0.54,关节2的角度位置由0逐渐变化到-0.4,关节3的角度位置由0逐渐变化到0.34,关节4的角度位置由0逐渐变化到0.4,关节5的角度位置由0逐渐变化到0.54,关节6的角度位置由0逐渐变化到0.62,关节7的角度位置由0逐渐变化到0.8;7个关节的初始速度、末速度均为0,各关节的运动速度都是由0加速到最大速度后再减速到0停在末端位置;7个关节的初始加速度、末加速度均为0,在从初始位置运动到终止位置的过程中,各个关节的加速度2次出现极值,且一正一负。结论 通过仿真可知,机器人在空间中从初始位置A1运动到终止位置A2的过程中,各个关节角度位置平滑变化,速度和加速度曲线连续、平滑,其运动过程平稳。
【期刊名称】《河北北方学院学报(自然科学版)》 【年(卷),期】2019(035)011 【总页数】6
【关键词】七自由度机器人;MATLAB-Robotics;仿真;轨迹规划
【文献来源】https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_journal-hebei-north-university-natural-science-edition_thesis/0201273467787.html
来稿日期:2019-04-22
基金项目:安徽省高校省级质量工程教学研究项目:“《智能楼宇弱电设备安装与调试》课程教学的探索与实践”(2018jyxm0469)
0 引 言
随着技术的发展,机器人已逐渐渗透到人们生活的各个领域[1]。紧跟科技发展的大潮,各高校陆续开设了机器人相关专业,进行机器人相关知识的研究和教学。目前市面上机器人虽多,但造价却普遍不菲,受院校资金和场地的限制,用较多的实物机器人作为教学的成本太高。这就需要用到机器人仿真系统来提供方便、灵活的实训条件。本文利用MATLAB的Robotics工具箱[2-4]来对Sawyer机器人进行建模及位姿变换和运动轨迹规划仿真。
1 机器人建模
1.1 机器人基本结构
Sawyer是一款革命性的协作机器人,旨在打破传统工业机器人的局限性,实现任务的自动化。Sawyer机器人基本结构如图1所示,该机器人有7个关节,即有7个自由度。由图1可知,7个关节分别是J1到J7,7个连杆分别是L1到L7。机器人各关节数据如图2所示。
1.2 改进D-H参数建立机器人模型
D-H模型[5-7]是由Denavit和Hartenberg于1955年提出的1种对机器人及其运动进行建模的1种方法,可用于任何机器人构型,而不管机器人的结构顺序和复杂程度如何。改进的D-H模型与标准D-H模型的区别主要有:①连杆选用的固连坐标系不同,标准D-H模型以连杆的后1个关节坐标系为其固连坐标系,而改进的D-H模型以连杆的前1个关节坐标系为其固连坐标系;②连杆坐标系X轴方向确定方式不同,标准D-H模型以当前Z轴和前1个坐标系Z轴叉乘确定X轴,而改进的D-H模型以后1个坐标系Z轴与当前坐标系Z轴叉乘确定X轴;③连杆坐标系之间的变换规则不同,2种方法表示连杆及其相邻连杆之间的关系均用到4个参数,即关节角、连杆偏置d、连杆长度a及扭角 α,但2种方法相邻关节坐标系之间的参数变化顺序不同,D-H模型参数变化顺序为d、θ、a、α,而改进的D-H模型参数变化顺序为α、a、θ、d。 (1)找连杆和关节轴
Sawyer机器人的连杆和关节轴如图3所示,7个关节轴分别是关节轴J1、关节轴J2、关节轴J3、关节轴J4、关节轴J5、关节轴J6和关节轴J7;7个连杆分别是连杆L1、连杆L2、连杆L3、连杆L4、连杆L5、连杆L6和连杆L7。 (2)建立坐标系i的原点
坐标系1的原点是轴1和轴2公垂线和轴1的交点,坐标系2的原点是轴2和轴3的交点,坐标系3的原点是轴3和轴4的交点,坐标系4的原点是轴4和轴5的交点,坐标系5的原点是轴5和轴6的交点,坐标系6的原点是轴6和轴7的交点,坐标系7的原点是轴7和手爪轴的交点,如图4所示。
(3)定坐标系基于改进的D-H模型,后1个坐标系与前1个坐标系的矩阵传递