Nachi MZ04機(jī)器人在智慧工廠中的運(yùn)動仿真與軌跡規(guī)劃

胡丹丹 戴花林

摘 要：本文在Matlab環(huán)境下，利用機(jī)器人運(yùn)動學(xué)原理對Nachi MZ04機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動分析，并利用Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機(jī)器人進(jìn)行三維建模、運(yùn)動學(xué)分析，通過實(shí)驗(yàn)證明了其正確性；在智慧工廠應(yīng)用中進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，并通過規(guī)劃運(yùn)動的動態(tài)圖、關(guān)節(jié)曲線圖以及機(jī)器人末端軌跡得出達(dá)到了預(yù)期效果的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：Matlab Robotic Toolbox；機(jī)器人運(yùn)動學(xué)；Nachi MZ04；智慧工廠

如圖1所示為工業(yè)4.0智慧工廠圖景，智慧工廠指向的是智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)：信息技術(shù)（IT）與自動化技術(shù)（AT）與傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境相結(jié)合，生成一個(gè)互聯(lián)的制造系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，它們在本質(zhì)上是物理的，但又具有聯(lián)網(wǎng)通訊的功能，目的是通過通訊和智能聯(lián)網(wǎng)功能使得生產(chǎn)過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性，從而提高工業(yè)競爭力。

從圖中可以看出，機(jī)器人在智慧工廠中扮演著重要的角色，本文基于Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真并在智慧工廠中進(jìn)行軌跡規(guī)劃。

1 Nachi MZ04機(jī)器人的參數(shù)設(shè)計(jì)

MZ04機(jī)器人是由Nachi（那智）公司生產(chǎn)的6自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，它由6自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，其示意圖如圖2所示，其中，第1、2、3軸確定手腕參考點(diǎn)位置，第4、5、6軸確定手腕的方位。根據(jù)機(jī)器人自身參數(shù)和Craig參考坐標(biāo)系建立約定建立各連桿坐標(biāo)系如圖3所示。

當(dāng)Nachi MZ04機(jī)器人處于初始狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的連桿參數(shù)表如表1所示。其中a2=260mm，a3=25mm，d1=340mm，d4=119mm，d5=161mm，d6=-72mm。參數(shù)說明：

桿件長度ai-1為從zi-1到zi沿xi-1測量的距離；

扭轉(zhuǎn)角？琢i-1為從zi-1到zi沿xi-1旋轉(zhuǎn)的角度；

橫距di為從xi-1到xi沿zi測量的距離；

關(guān)節(jié)角？茲i為從xi-1到xi沿zi旋轉(zhuǎn)的角度。

2 Nachi MZ04機(jī)器人運(yùn)動分析

機(jī)器人學(xué)中關(guān)于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)最常用的描述方法是矩陣法，這種數(shù)學(xué)描述是以四階方陣變換三維空間的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)的，矩陣法、齊次變換等概念是機(jī)器人學(xué)研究中最重要的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，利用Matlab Robotic Toolbox中的transl、rotx、roty和rotz函數(shù)可以非常容易地實(shí)現(xiàn)用齊次變換矩陣表示平移變換和旋轉(zhuǎn)變換。例如機(jī)器人繞x軸平移了300mm的齊次變換可表示為：T=transl（0.3，0，0）；繞z軸旋轉(zhuǎn)了90°可以表示為T=rotz（pi/2）；繞y軸旋轉(zhuǎn)90°，接著繞x軸旋轉(zhuǎn)-90°，再沿z軸方向平移500mm對應(yīng)的齊次變換可表示為：T=transl（0，0，0.5）*rotx（-pi/2）*roty（pi/2）。Nachi MZ04機(jī)器人中六個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。

3 MATLAB運(yùn)動仿真

機(jī)器人是由多個(gè)連桿連接而成的，機(jī)器人關(guān)節(jié)分為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動關(guān)節(jié)。創(chuàng)建機(jī)器人的兩個(gè)最重要的函數(shù)是：Link和SerialLink。根據(jù)圖3和表1中的參數(shù)，可構(gòu)建Nachi MZ04機(jī)器人仿真matlab程序并將仿真機(jī)器人（初始狀態(tài)）繪制如圖4所示。

圖5為MATLAB中機(jī)器人控制面板，圖中，q1、q2、q3、q4、q5、q6分別為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)6的關(guān)節(jié)角，對應(yīng)表1中的？茲1至？茲6，可通過調(diào)節(jié)圖中的滑塊來使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，就像實(shí)際操作機(jī)器人一樣，通過機(jī)器人自帶示教儀實(shí)際操作機(jī)器人各關(guān)節(jié)與在Matlab中仿真控制各關(guān)節(jié)進(jìn)行對比，所得結(jié)果一致，從而驗(yàn)證了仿真建模的正確性。

4 智慧工廠中Nachi MZ04機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃

在實(shí)際模擬智慧工廠中，Nachi MZ04機(jī)器人用于抓取工件，通過機(jī)器人自帶示教儀測量出起始點(diǎn)關(guān)節(jié)空間矢量qA（0，0，0，0，0，0）與目標(biāo)點(diǎn)關(guān)節(jié)空間矢量qB（1.6，1.-2，0，0，0）的坐標(biāo)，利用Matlab Robotic Toolbox中的關(guān)節(jié)空間規(guī)劃算法jtraj可以計(jì)算出需要的軌跡，并可在matlab中看到運(yùn)動動態(tài)圖以判斷是否可行，圖6為Nachi MZ04機(jī)器人關(guān)節(jié)3的角位移、角速度、角加速度曲線，圖7為Nachi MZ04機(jī)器人末端運(yùn)動軌跡。

5 結(jié)語

本文簡單介紹了智慧工廠，利用Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機(jī)器人建立了三維模型，分析了Nachi MZ04機(jī)器人的運(yùn)動問題和軌跡規(guī)劃問題，通過示教儀操控機(jī)器人與Matlab仿真控制機(jī)器人各關(guān)節(jié)結(jié)果對比驗(yàn)證了模型建立與運(yùn)動分析的正確性，在Matlab中進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)可以看到機(jī)器人運(yùn)動的動態(tài)圖，各關(guān)節(jié)沒有運(yùn)動錯位的情況出現(xiàn)，由圖6可以看見關(guān)節(jié)能平穩(wěn)地由初始點(diǎn)運(yùn)動至目標(biāo)點(diǎn)，圖7可以看到機(jī)器人末端運(yùn)動軌跡，達(dá)到了運(yùn)動軌跡規(guī)劃的目的。

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作者簡介：

胡丹丹（1987-），女，漢族，江西南昌人，碩士研究生，高職講師，研究方向：機(jī)電一體化；

戴花林（1968-），女，漢族，湖南株洲人，本科，高職副教授，研究方向：電氣自動化。