五自由度关节式机械臂运动学分析与仿真.pdf

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五自由度关节式机械臂运动学分析与仿真

张鑫;杨棉绒;郝明

【摘要】由于服务机器人机械手臂具备五自由度,空间自由运动柔性高和刚度强,被

广泛应用娱乐服务.针对家用娱乐机器人的手臂运动问题,利用各关节的相对关系得

到了运动学描述.首先,定义了初始零位,同时利用MDH法建立了连杆坐标系.其次从

正、反运动学建模两个方面对娱乐机器人手臂进行了运动学描述.再次,利用

MATLAB数学工具箱验证了正、逆运动学求解工程的正确性.最后,利用OpenGL

与VS软件程序实现对手臂进行了仿真实验.仿真结果表明,该虚拟场景能够反应出

拟人手臂在三维视景中真实运动情况.

【期刊名称】《机械设计与制造》

【年(卷),期】2017(000)002

【总页数】4页(P9-12)

【关键词】五自由度;运动学仿真;MDH法;机械臂

【作者】张鑫;杨棉绒;郝明

【作者单位】新乡学院网络管理中心,河南新乡453003;新乡学院计算机与信息工

程学院,河南新乡453003;新松机器人自动化股份有限公司,辽宁沈阳110168

【正文语种】中文

【中图分类】TH16;TP242.3

随着智能机器人技术的蓬勃发展,服务机器人已经逐步走入到人们生活当中去。由

于服务机器人的应用领域,服务机器人需要比工业机器人有更强的感知能力。

要使服务机器人手臂能正确的运动,要解决的就是运动学问题。到目前为止,机械

臂的运动学求解问题已经进行了很多的研究。例如,文献[1]建立了五自由度运动

学模型,并且利用VB软件建立交互式仿真界面。文献[2]提出了一种迭代法来,

根据机械手的三元非线性方程组,解决了运动学问题。文献[3]运用几何求解方法

求解了一种具有7个自由度的仿人机械臂的运动学逆解问题。文献[4]使用

ADAMS软件对机械手进行仿真,验证该机械手的运动学问题。文献[5]对拟人臂

的运动规划问题进行了研究,提出了一种三角形动作基元的模型,建立了手臂三角

空间与任务空间和关节空间之间的正逆运动学。

以实际的服务机器人为实例背景,根据其机械结构特征,构建了MDH运动学模

型,从而解决了电机转角与拟人手臂末端位置之间的映射关系,然后将OpenGL

仿真技术应用到智能机器人系统当中,解决了虚拟现实机器人仿真问题,建立人机

交互界面,实现对五自由度机械臂在线仿真。

为用于家庭娱乐的五自由度机器人,该服务机器人的手臂拥有五个自由度,如图1

所示。

该机器人具有五自由度的拟人双臂;头部拥有两个自由度,可以实现摇头和点头;

底部由两个驱动轮和三个万向轮构成。

根据服务机器人的结构,如果把基坐标系建立在机器人基座上,其各个轴建立的坐

标系,如图2所示。

该机器人有左右两个手臂,分别对两个手臂分别求解。定义服务机器人本体上任意

一点Oinit为基准参考坐标系。

左侧坐标系{LO1},它沿着Zinit轴平移了Linit,沿着Y轴平移了-LLinit,绕坐

标系{Oinit}的Xinit轴旋转了90°,沿着新轴Zinit旋转90°,就得到了LO1坐

标系。

如果采用图2的方法建立展示服务机器人模型,那么建立起来会有一定难度。根

据实际问题,为了更直观反映该机器人的抓取操作的问题,简化了模型只建立一个

机械手臂的坐标系,并对其进行运动学分析。其中位置轴为前两个轴,姿态轴为后

两个轴。然后根据双手对称的性质,只需要建立一个标志位,就可以区分左右两手,

这样可以方便问题的解决,节省开发时间进度。

拟人手臂的运动学建模就是建立关键轴与末端执行器之间的映射关系[6-7]。采用

MDH建模方法对拟人手臂建模。根据五轴机器人实际形状模型和机器人运动学模

型建立了的固定在连杆上的坐标系结构图,如图3所示。

3.1机械臂运动学正解

服务机器人拟人手臂的运动学正解问题解决的是已知手臂各个关节角的转角,求取

末端执行器的位置和姿态[8]。首先利用MDH方法建立坐标系,进而用齐次变换

矩阵来建立机器人末端执行器坐标系相对于基坐标系的数学模型,其中坐标变换矩

阵为:

根据这个变换矩阵可以进行机器人的运动学虚拟建模。MDH的相关参数数据,如

表1所示。

根据以上这些参数可以得到各个关节之间的变换矩阵:

得到五个连杆坐标变换矩阵的乘积:

最后,经过求解可以得到:

为了校正答案的正确性,计算θ1=0°;θ2=

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