基于MATLAB/Robotics Toolbox的PUMA560機械臂仿真研究

王娜

【摘 要】本文采用標準D-H法對六自由度關(guān)節(jié)機器人的機構(gòu)和運動學(xué)進行分析，推導(dǎo)出正逆運動學(xué)變換公式。在此基礎(chǔ)上，本文運用Matlab機器人工具箱對機器人系統(tǒng)進行了運動仿真，研究了機器人在作業(yè)過程中的主要運動學(xué)指標的變化情況，十分直觀地反映出機器人這一非線性耦合結(jié)構(gòu)中各桿件和末端工作部分的運動狀態(tài)，為機器人的具體研制、控制策略提供了理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】PUMA560機械臂；運動學(xué)；動力學(xué)；仿真

1 PUMA560簡介

對機器人進行圖形仿真，可以直觀顯示出機器人的運動情況，得到從數(shù)據(jù)曲線中難以分析出來的許多重要信息，并能從圖形上看到機器人在一定控制條件下的運動規(guī)律。從仿真軟件中觀察機器人工作程序的運行結(jié)果，就能分析出該機器人軌跡規(guī)劃等的正確性和合理性，從而為離線編程提供有效的驗證手段。

PUMA560 機械臂是一種示教機器人。有六個自由度，包括6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，模仿人的腰、肩、肘和手腕運動，能以規(guī)定的姿態(tài)到達工作范圍內(nèi)的任何一個點。包括：臂體、控制器和示教器三個部分。它的外觀圖如圖1 所示。

2 PUMA560的空間坐標系建立

PUMA560一般由移動關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)共同作用，組成機器人的操作臂，每個關(guān)節(jié)都有一個自由度。在六自由度下，我們規(guī)定連桿0表示基座，關(guān)節(jié)1讓基座0與連桿1相接，關(guān)節(jié)2讓連桿1與連桿2相連接，以此類推。如圖2所示。

3 確定D-H坐標系

PUMA560的6個關(guān)節(jié)全為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)如下：

Xi軸：沿著Zi和Zi-1的公法線，指向離開Zi-1軸的方向；

Yi軸：按右手直角坐標系法則制定；

Zi軸：沿著i+1關(guān)節(jié)的運動軸；

兩連桿距di：Xi和Xi1兩坐標軸的公法線距離；

兩桿夾角θi：Xi和Xi1兩坐標軸的夾角；

連桿長度ai：Zi和Zi-1兩軸心線的公法線長度；

連桿扭角αi：Zi和Zi-1兩軸心線的夾角；

所以相鄰坐標系i和i-l的D-H變換矩陣為：

6 結(jié)論

本文利用 MATLAB Robotics Toolbox 建立了PUMA560機器人的三維模型，分析了它的正運動學(xué)、逆運動學(xué)和軌跡規(guī)劃問題，驗證了仿真的合理性。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]