基于MATLAB機器人手臂運動仿真

英璐+富澤

摘要：文章首先分析了基于MATLAB技術(shù)所設(shè)計的機器人手臂結(jié)構(gòu)，從主要功能實現(xiàn)區(qū)域來開展，在此基礎(chǔ)上探討相關(guān)功能實現(xiàn)的力學(xué)原理基礎(chǔ)，并對MATLAB技術(shù)應(yīng)用中的算法驗證進(jìn)行詳細(xì)探討規(guī)劃，以便達(dá)到最理想的使用效果，在機器人手臂功能上也能得到完善，提升手臂運動精準(zhǔn)度。

關(guān)鍵詞：MATLAB；機器人手臂；運動仿真

1、基于MATLAB機器人的手臂結(jié)構(gòu)

機器人仿真手臂運動中，組成結(jié)構(gòu)傳感器結(jié)構(gòu)，感應(yīng)器裝置、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)以及控制模塊，在使用中這幾個模塊相互配合，將所探測得到的信息向總控制模塊反映，從而實現(xiàn)控制能力提升，幫助機器人仿真手臂實現(xiàn)運動功能。對于不同領(lǐng)域所使用的機器人，仿真手臂結(jié)構(gòu)組成也有很大差異性，要掌握這一差異性，進(jìn)行更系統(tǒng)化的控制，各個控制區(qū)域之間也是需要劃分完善的。一些功能需求中，會要求機器人手臂主動運動，實現(xiàn)生產(chǎn)中所需要的功能，在該手臂運動中，控制系統(tǒng)則是需要功能實現(xiàn)模塊。特殊使用需求的機器人手臂會安裝固定裝置，將機器人仿真手臂所抓到的貨物牢牢固定，以免在傳輸過程中出現(xiàn)掉落損壞問題，各個結(jié)構(gòu)模塊共同組成了功能系統(tǒng)，達(dá)到機器人使用需求，配合其他功能共同服務(wù)生產(chǎn)需求。

2、機器人手臂運動力學(xué)原理

機器人手臂中所含有的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在使用過程中會根據(jù)控制指令來旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到手臂的運動效果，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能運動是采用串聯(lián)控制方法來實現(xiàn)的，這樣在使用中也能達(dá)到最佳控制效果。手臂運動是一個復(fù)雜的過程，不但需要機械動能供應(yīng)，更需要在運動中借助力學(xué)原理，來實現(xiàn)對手臂的運動狀態(tài)控制。圖1中的機器人手臂，該手臂在功能上已經(jīng)十分完善，可以靈活的抓住貨物，運動范圍也更靈活便于控制。

整個手臂在力學(xué)控制原理中，是分段進(jìn)行的，每一個手臂結(jié)構(gòu)都會在一個旋轉(zhuǎn)軸控制下使用，根據(jù)控制指令以及使用需求來進(jìn)行調(diào)整，各個旋轉(zhuǎn)軸處于不用運動狀態(tài)下，機器人手臂也能隨之運動實現(xiàn)不同的運動狀態(tài)，做出控制信息中要求的動作。通常情況下機器人手臂實現(xiàn)功能，需要與機器人其他功能模塊相互配合，達(dá)到最佳使用狀態(tài)，并在功能實現(xiàn)上達(dá)到最佳效果，各個系統(tǒng)之間的調(diào)節(jié)與配合效果也會有明顯提升。

3、MATLAB 算法驗證及手臂運動仿真

3.1、仿真環(huán)境構(gòu)建

機器人手臂實現(xiàn)仿真功能，首先需要建立一個仿真環(huán)境，并在仿真環(huán)境內(nèi)不斷完善控制系統(tǒng)與信息傳輸系統(tǒng)，機器人手臂有固定的仿真運行狀態(tài)，這樣才能避免最終的控制功能受到影響。仿真手臂構(gòu)建是在動作指令算法基礎(chǔ)上開展的，充分了解當(dāng)前運動狀態(tài)，來繼續(xù)深入完善控制功能，營造出適合機器人手臂運動的環(huán)境來（見圖2設(shè)計圖）。動作仿真中要求模仿真實的手臂運動過程，在功能以及感應(yīng)靈敏度上與之達(dá)成一致，發(fā)現(xiàn)問題及時探討解決規(guī)劃方法，確保所構(gòu)建的環(huán)境適合機器人仿真手臂使用，這樣在接下來的算法驗證以及功能檢測中，才能達(dá)到最佳效果，以免影響到整體功能實現(xiàn)。

3.2、正運動學(xué)算法驗證

采用該種算法驗證方法，首先要將機器人手臂調(diào)整到幾個特殊的動作位置中，觀察機器人手臂運動中是否可以滿足精準(zhǔn)度需求，在此基礎(chǔ)上配合觀察運動效果，從綜合控制治理角度進(jìn)行，只有機器人仿真手臂達(dá)到精準(zhǔn)的運動點，其他功能才得以實現(xiàn)，也意味著機器人仿真手臂在控制系統(tǒng)上不存在誤差，并且各個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)也均可以實現(xiàn)功能。只將第一個關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)在90°，其他的幾個關(guān)節(jié)控制在0°，檢測關(guān)節(jié)的配合程度，是否能夠通過自動調(diào)節(jié)來使之達(dá)到最佳使用效果。

3.3、逆運動學(xué)算法驗證

逆運動學(xué)算法驗證中，首先需要確定一組手臂運動中的關(guān)節(jié)調(diào)節(jié)角度，將其錄入到控制的文本框架中，角度依次對應(yīng)后，觀察機器人手臂運動是否達(dá)到了規(guī)定的控制形式，將其中運動與預(yù)期存在差異性的部分進(jìn)行記錄，這樣在檢測任務(wù)結(jié)束后也可以進(jìn)行更深入的調(diào)節(jié)控制，以免在功能實現(xiàn)質(zhì)量上受到影響。機器人手臂仿真運動檢測結(jié)果還需要與真實的手臂運動進(jìn)行對比，確保能夠達(dá)到最佳的控制點，并為后續(xù)控制計劃打下穩(wěn)定基礎(chǔ)條件，所得到的結(jié)果具有真實性，那么接下來開展的手臂仿真運動調(diào)整也不會因此受到影響，能夠在使用需求標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)科學(xué)開展，進(jìn)而達(dá)到最理想的使用效果。逆運動學(xué)算法驗證主要是檢測機器人手臂在一些特定環(huán)境下的運動情況，以便更好的應(yīng)對使用中所存在的突發(fā)情況。

3.4、手臂運動仿真檢測

手臂運動在仿真檢測中，會設(shè)置一些具有代表性的運動任務(wù)，觀察檢驗機器人手臂的自主完成情況，從而實現(xiàn)對運動過程的仿真，手臂運動是一項相對比較復(fù)雜的形式，實現(xiàn)功能也需要從多個角度來開展，從而實現(xiàn)手臂運動的最佳控制效果。檢測要做出功能與靈敏度兩方面區(qū)分，并從設(shè)計效果層面來進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)問題后及時采取技術(shù)性方法調(diào)整，僅僅實現(xiàn)運動功能并不能滿足使用需求，需要從更深入的角度加以調(diào)整控制，確保機器人手臂可以達(dá)到類似于真實手臂的使用性能，在精準(zhǔn)度以及控制靈敏度上都會有明顯提升。

圖2中表現(xiàn)手臂的仿真運動基本形式，已經(jīng)能夠接近人類手臂的骨關(guān)節(jié)控制，使用中仍然需要對其運動參數(shù)反饋調(diào)節(jié)，使用一段時間后可能會出現(xiàn)機器人手臂靈敏度下降的情況，需要借助計算機軟件來了解并對其做出調(diào)整。

上述手臂運動檢測技術(shù)，實際應(yīng)用還需要進(jìn)行強化調(diào)整，以免在適應(yīng)范圍上出現(xiàn)誤差，對于一些比較常見的功能使用問題，更要及時調(diào)整，為機器人手臂功能實現(xiàn)創(chuàng)造可行性。當(dāng)檢測驗證中出現(xiàn)結(jié)果與實際情況不符合的現(xiàn)象時，也要及時的調(diào)整，運用MATLAB技術(shù)來構(gòu)建不同功能實現(xiàn)模塊，在算法上做出優(yōu)化創(chuàng)新，實現(xiàn)更豐富的功能構(gòu)建形式，通過這種方法來適應(yīng)不同的機器人手臂使用需求。

結(jié)語：綜上所述，機器人手臂運動學(xué)分析是手臂軌跡規(guī)劃和精確控制的基礎(chǔ)，而對于算法正確性的驗證則是機器人手臂執(zhí)行動作的必要前提條件。本文針對工業(yè)機械臂的缺點，采用模塊化關(guān)節(jié)構(gòu)成機器人手臂，在分析臂型的基礎(chǔ)上，對逆運動學(xué)求解的基礎(chǔ)上，對逆解的分布情況進(jìn)行了分析。

參考文獻(xiàn)：

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