串联机器人仿真分析论文【DOC精选】.docVIP

机电系统仿真期末论文 班级： 学号： 姓名： 2012－4－14 五自由度串联机器人的动态仿真分析 摘 要 D-H法是进行机器人动态仿真分析的普遍方法。本文首先建立基于ADAMS的五自由度串联机器人系统进行仿真分析，然后使用MATLAB/Simulink建立基于D-H法的机器人运动学方程，并ADAMS中的结果进行比较。最后简单介绍了机器人工具箱Robotics Toolbox for MATLAB的使用。 关键词 串联机器人，Simulink仿真，D－H法，Robotics Toolbox 1 前言 计算机仿真一词是指在研究中利用数学模型来获取系统的一些重要特性参数，这些数学模型通常是由以时间为变量的常微分方程来描述，并用数值方法进行计算机仿真求解的。利用计算机仿真可以对整个机械制造系统及其过程进行广泛的研究。一般而言，机构设计的目标之一就是能够实现某一预定的运动轨迹。在一个多自由度机构中，必须独立设定所有的输入变量才能知道其余的参数。机器人就是这样的多自由度机构，必须知道每一关节变量才能知道机器人的手处在什么位置。运动学分析提供了机器人运动规划和轨迹控制的理论基础。 1955年，Denavit和Hartenberg在“ASME Journal of Applied Mechanics”发表了一篇论文，提出了一种采用矩阵代数系统的广义方法，来描述机器人手臂杆件相对于固定参考坐标系的空间几何位置和姿态。这已成为对机器人运动进行建模的标准方法。这种方法使用4x4齐次变换矩阵来描述两个相邻的机械刚性构件间的空间关系，把正向运动学问题简化为寻求等价的4x4齐次变换矩阵，此矩阵把手部坐标系的空间位移与参考坐标系联系起来。并且该矩阵还可用于推导手臂运动的动力学方程。Denavit-Hartenberg(D-H)模型，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。它也可用于表示在任何坐标中的变换，例如直角坐标、圆柱坐标、球坐标、欧拉角坐标及RPY坐标等。 下面将对五自由度串联机器人进行运动学仿真分析。我们先在CAD软件中建立机器人几何模型并导入到ADAMS中进行运动学仿真，然后建立系统的D—H模型并在MATLAB/Simulink里进行仿真和ADAMS仿真的结果进行对比。 已知五自由度机器人实物如下图所示： 要求：模拟机器人从初始状态到全缩状态再到全伸展状态的运动过程，并得到机器人的灵活工作域在XZ面上的投影。 图1 五自由度机器人（所有关节均为转动关节） 性能参数：自由度 5 最大载荷 1.5kg 手爪所能到达的距离 500mm 位置重复精度 ±0.02mm 最大速度 2.1m/s 基本结构参数（单位 mm） 大臂 350*210 大圆 小圆 中臂 250*180*80 小臂 100*80*80 手腕 截面 2 ADAMS仿真结果 将建立好的模型导入到ADAMS后定义运动副和约束，在运动副处施加Motion并定义运动函数，使其按照给定要求运动。设置好仿真时间和参数后进行仿真，之后选择机器人执行末端上一点进行测量。结果如图2,3,4所示。 图2 机器人执行端在XZ平面上位移分量X的曲线 图3 机器人执行端在XZ平面上位移分量Z的曲线 图 4 机器人末端在XZ平面上最小和最大工作范围轨迹 3 基于D-H法的Simulink运动学仿真 3.1 D—H法原理 一个物体在空间的表示可以通过在它上面固连一个坐标系，再将该固连的坐标系在空间表示出。先从操作臂的固定基座开始为连杆进行编号，可以称固定基座为连杆0，第一个可动连杆为连杆1，以此类推，操作臂最末端的连杆为连杆n。 描述一个连杆和下一个连杆之间关系的齐次变换矩阵为A矩阵，可以描述连杆构件坐标系之间的相对平移和旋转的齐次变换。描述连杆1相对基座（连杆0）的位姿，每次变换后该坐标系中的点相对于参考坐标系的坐标都是通过用每个变换矩阵左乘该点的坐标得到的，由此类推，把连杆变换矩阵连乘就能得到机器人末端在总体笛卡尔坐标系中的位置和姿态。对于五自由度串联机器人，有 在图