六軸工業(yè)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃的研究與仿真

張海柱 符秀輝

摘 要：首先，對UR5六軸機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模。在對運(yùn)動學(xué)理論進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)齊次變換矩陣?yán)碚?，采用D-H法則建立機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的數(shù)學(xué)模型，調(diào)用MATLAB軟件中的Robotics Toolbox工具箱建立機(jī)器人模型，通過實(shí)驗(yàn)仿真分析，驗(yàn)證了機(jī)器人模型的可靠性，以及機(jī)器人正、逆解的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：MATLAB Robtics Toolbox;運(yùn)動學(xué)分析;軌跡規(guī)劃

目前，機(jī)械臂式工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、搬運(yùn)、加工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過仿真的方式復(fù)現(xiàn)機(jī)械臂運(yùn)動，能夠直觀地監(jiān)視手臂各部分的運(yùn)動情況[1]。因此機(jī)器人的仿真在機(jī)器人技術(shù)的研究和開發(fā)中具有重要，它可以用來驗(yàn)證機(jī)器人的工作原理、工作空間、運(yùn)動功能、運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)方程求解的有效性，同時對比各種控制算法法優(yōu)劣有非常重要的指導(dǎo)作用[2]。本文采用D-H法參數(shù)建立機(jī)械臂模型，利用MATLAB的Robotics toolbox工具箱建立機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)模型，分析機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)問題和基于關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃問題。

1 UR5機(jī)械臂模型建立

UR5機(jī)械臂的主要技術(shù)指標(biāo)：負(fù)載5kg，工作范圍850mm，重復(fù)定位精度±0.03mm，關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍為所有關(guān)節(jié)±360°，各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動速度最大180°/秒。UR5可以在有限范圍內(nèi)以預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行相應(yīng)的工作，并且可以附加許多的外部設(shè)備。UR5機(jī)械臂主要由基座、上臂、下臂、手臂、手腕組成.有六個自由度，均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，1軸為基座回轉(zhuǎn)運(yùn)動，2軸為上臂傾角運(yùn)動，3軸為下臂傾角運(yùn)動，4軸為手臂擺動，5軸為手腕傾角運(yùn)動，6軸為手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動[3][4]。

機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)建模方法有很多，最常用的方法就是D-H參數(shù)法。該方法是在20世紀(jì)50年代中期，由Denavit和Hartenberg提出的，用于創(chuàng)建機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型[5][6]。該方法的優(yōu)點(diǎn)就在于無論機(jī)械臂的物理構(gòu)型有多復(fù)雜，在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模方面它都適用。在用D-H表示法建立機(jī)器人得到運(yùn)動學(xué)方程時，說先必須要為機(jī)器人的每個活動關(guān)節(jié)定義一個參考坐標(biāo)系，其次需要確定從基座開始到第一個關(guān)節(jié)、再到第二個關(guān)節(jié)一直到最后一個活動關(guān)節(jié)的總變換矩陣。

六軸機(jī)器人運(yùn)動學(xué)仿真主要分為正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)動學(xué)，正運(yùn)動學(xué)主要是已知各個關(guān)節(jié)角度軌跡，通過正運(yùn)動學(xué)求解得到機(jī)器人末端在各個時刻的運(yùn)動軌跡。逆運(yùn)動學(xué)主要是已知機(jī)器人末端的運(yùn)動軌跡，從而通過逆運(yùn)動學(xué)求解反算出各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。

根據(jù)D-H參數(shù)建模法，得到機(jī)械臂的D-H參數(shù)，見表：

從以上三個圖中可以看出從Q0到Q1變化的曲線過程隨時間的變化情況，運(yùn)動過程中，曲線無拐點(diǎn)和突變且平滑連續(xù)，機(jī)械臂在運(yùn)動過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，無震動。由此可知，使用MATLAB Robtics Toolbox建立機(jī)械臂模型正確，符合UR5機(jī)械臂運(yùn)動要求。

4 總結(jié)

本文根據(jù)D-H方法，利用MATLAB Robotics Toolbox建立UR5的機(jī)械臂仿真模型，并進(jìn)行了機(jī)械臂的仿真，畫出機(jī)械臂運(yùn)動的位置、速度、加速度的變化圖、機(jī)械臂末端曲線軌跡圖和機(jī)械臂末端直線軌跡圖。仿真結(jié)果證明了力運(yùn)動學(xué)模型的建立正確，為后續(xù)的機(jī)械臂的研究分析打下了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏偉，吳玉文.基于MATLAB Robtics Toolbox的機(jī)械臂軌跡仿真研究[J].河南科技，2020，702（4），54-56.

[2]萬正海，李鍛能，等.移動機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動分析及軌跡規(guī)劃[J].機(jī)床與液壓，2019，47（23），56-60，68.

[3]岳晴晴.六軸工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃的研究[D].江蘇科技大學(xué)，2019.

[4]趙仁豪，李亮.六自由度機(jī)械臂建模與MATLAB仿真[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，39（3），69-74.

[5]蔡自興.機(jī)器人學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2015.

[6]劉芳君.六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與軌跡規(guī)劃研究[D]，重慶郵電大學(xué)，2019.

[7]柳洋.配電線路維護(hù)機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃與實(shí)驗(yàn)研究[D].南京理工大學(xué)，2017.

[8]馬宇豪.六自由度機(jī)械臂避障軌跡規(guī)劃及控制算法研究[D].中國科學(xué)院大學(xué)，2019.

[9]任偉，江明.六自由度機(jī)械臂軌跡規(guī)劃算法研究[J].安徽工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，34（6），52-59.

[10]左富勇，胡小平，謝珂，等.基于MATLAB Robotics工具箱的SCARA機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（2）：43-46.

作者簡介：張海柱（1996—），男，蒙古族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，研究方向：機(jī)器人。