六自由度机械手的坐标建立及运动学分析

第**卷第**期20**年*月

机械工程学报

JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

Vo l.** No.*

*** 20**

DOI：10.3901/JME.20**.**.***

六自由度机械手的坐标建立及运动学分析

摘要：从运动学分析的基础上着手研究轨迹控制的问题，利用运动学逆解的方式分析复杂轨迹运动的可行性和实用性。通过建立机械手的笛卡尔坐标系，推导出机械手的正、逆运动学矩阵方程，并研究了正、逆

运动学方程的解；在此基础上建立机械手的工作空间，并讨论其工作空间的灵活性和存在可能性。

因此本文的另一种方式对六自由度串联机械手的复杂运动控制问题进行研究，提出以机械手示教手柄引导末端执行器对复杂运动轨迹进行预设计。然后通过记录程序进行复杂轨迹的再实现，再对记录程序进行预修改，最终通过现有的程序进行设计编程完成复杂轨迹设计任务。并利用MATLAB对轨迹进行仿真，对比其实际与计算的正确性。

最后本设计通过六自由度串联机械手实现平面文字轨迹，得出其设计的方式。即首先利用示教手柄实现轨迹预设，记录预设轨迹程序，然后再对比程序初始化坐标进行手动编程。

关键词：六自由度机械手，笛卡尔坐标系，运动学方程，仿真，示教手柄

The coordinates of six degrees of freedom manipulator and kinematics analysis is established

WU Yanchao JIN Yuanxun ZHAO Xin LI Daohai SONG Ping MENG Ya ABSTRACT：T his article based on the analysis of kinematics to study the trajectory control problems, use of inverse kinematics of the complex mode of tracking movement of the feasibility and practicality. Through the establishment of the manipulator Cartesian coordinates, derived manipulator is the inverse kinematics matrix equation and the study is the inverse kinematics of the equation solution on the basis of this establishment manipulator working space. And discuss their work space The flexibility and the possibility exists.

So in another way to the six degrees of freedom series manipulator motion control the complex issues of research, to handle the machinery Shoushi guide for the implementation of the end of the complex pre-designed trajectory. Then track record of the complicated procedure to achieve, and then record the pre-amended procedures.The eventual adoption of the existing procedures designed trajectory design of complex programming tasks. And using MATLAB simulation of the track, compared with its actual calculation is correct.

The final design through six degrees of freedom series manipulator track to achieve flat text, draw their design approach. That is, first of all use of teaching handle achieve trajectory default the track record of default procedures, and then compared to manual procedures initialized coordinate programming.

key words：Six degree-of-freedom manipulators，Cartesian coordinates， Equations of motion，Simulation， Demonstration handle

机 械 工 程 学 报 第49卷第6期

前言

基于六自由度串联机械手的复杂运动控制的研究，期望通过一种使用的轨迹设计方法，即利用六自由度串联机械手实现平面复杂运动轨迹的设计，使其能在不同的工业生产下完成预定的轨迹实现的准确性和实用性，则该机械手将在实在加工工业中发挥更重要的作用，并可完成许多人工条件无法完成的任务，从而提高机械手的利用性。 另外，基于六自由度机械手轨迹设计中位置逆解算法的研究，期望通过MATLAB 仿真实现六自由度机械手位置逆解的准确性，尤其是在其逆解不唯一的情况下，配合MATLAB 仿真数据进行对比，实现轨迹控制的最优化，即满足轨迹设计要求和运动控制的

1

机械手轨迹设计中坐标系的建立

机器人通常是由一系列连杆和相应的运动副组合而成的空间开式链，实现复杂的运动，完成规定的操作。因此，机器人运动学描述的第一步，自然是描述这些连杆之间以及它们和操作对象(工件或工具)之间的相对运动关系。假定这些连杆和运动副都是刚性的，描述刚体的位置和姿态(简称位姿)的方法是这样的：首先规定一个直角坐标系，相对于该坐标系，点的位置可以用3维列向量表示；刚体的方位可用3×3的旋转矩阵来表示，而4×4的齐次变换矩阵则可将刚体位置和姿态(位姿)的描述统一起来。

机器人的每个关节坐标系的建立可参照以下的三原则：

1-n z 轴沿着第n 个关节的运动轴；

n

x 轴垂直于

1

-n z 轴并指向离开

1

-n z 轴的方

向；

n

y 轴的方向按右手定则确定。

机器人坐标系建立的方法常用的是D-H 方

法，这种方法严格定义了每个关节的坐标系，并对连杆和关节定义了4个参数，如图下所示：

转动关节连杆四参数示意图

2 平面轨迹设计的正运动学分析

2.1 平面轨迹设计的正运动学分析原理 机器人运动学只涉及到物体的运动规律，不考虑产生运动的力和力矩。机器人正运动学所研究的内容是：给定机器人各关节的角度或位移，求解计算机器人末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态问题。 各连杆变换矩阵相乘，可得到机器人末端执行器的位姿方程（正运动学方程）为 ：

6

5544332211060

A A A A A A T ==

⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡10

z z z z y y y y x x x x p a o n p a o n p a o n （式3-3）

其中：z 向矢量处于手爪入物体的方向上，

称之为接近矢量a ，y 向矢量的方向从一个

指尖指向另一个指尖，处于规定手爪方向

上，称为方向矢量o ；最后一个矢量叫法线矢量n ，它与矢量o 和矢量a

一起构成一个

右手矢量集合，并由矢量的叉乘所规定：

a o n ⨯=。

式3-3表示了RBT 系列机器人变换矩阵

40

T ，它描述了末端连杆坐标系{4}相对基坐

标系{0}的位姿，是机械手运动分析和综合的基础。

2.2正运动学分析步骤及计算

1、根据机器人坐标系的建立中得出的A 矩