基于MATLAB_Simulink的机器人运动学仿真

基于MAT LAB ΠSimulink 的机器人运动学仿真

张晓超　董玉红

(哈尔滨理工大学,哈尔滨150080)

摘要　利用M AT LAB ΠS imulink 仿真软件对机器人的运动学仿真进行研究,提出基于机构仿真工具S imMechanics 的运动学仿真和基于M AT LAB 函数的运动学仿真,并以平面两关节机器人为例比较了各自的特点。这两种仿真方法对于复杂多关节机器人也同样适用。

关键词:MAT LAB ΠSimulink SimMech anics 运动学　仿真

中图分类号:TP 39119　文献标识码:A 文章编号:1671—3133(2005)增—0061—02

K inematics simulation of robots based on MAT LAB ΠSimulink

Zhang Xiaochao ,Dong Yuhong

(College of Mechanical and Pow er E ngineering ,H aerbin U niversity of

Science and T echnology ,H aerbin 150080,CHN )

Abstract K inematics simulations of robots were studied by M AT LAB ΠS imulink simulation s oftware.K inematics simulations based on mechanism simulation tool S imMechanics and on M AT LAB function were put forward ,and their features compared for tw o joints robot as an example.The tw o methods can als o be used in application to multiple joints robots.K ey w ords :MAT LAB ΠSimulink SimMech anics K inem atics Simulation

本文利用M AT LAB ΠSimulink 仿真软件对机器人的

运动学仿真进行研究,提出基于机构仿真工具Sim Me 2chanics 的运动学仿真和基于M A T LAB 的函数的运动学仿真,并以平面两关节机器人为例比较了各自的特点。

1　基于Sim Mechanics 的运动学仿真

根据机器人的机构组成,基于Sim Mechanics 的两

关节机器人仿真模型如图1所示[1]

。Sim Mechanics 仿真模型主要由两个转动关节模块、两个刚体模块和一个地模块组成。转动关节1、2(R 1、R 2)表示机器人的两个转动关节,刚体1、2(B 1、

B 2)代表杆1、杆2,

地(G round )表示固定机座。对于关节1、2用两个驱动器(R1Actuator 和R2Actuator )进行运动驱动,用两个传感器(R1Sens or 和R2Sens or )测量关节转角,轨迹规划模块实现机器人末端的运动轨迹。

图1　基于S imMechanics 的运动学仿真模型

图2　机器人的关节转角信号

图3　机器人的末端运动轨迹

根据建立的机器

人Sim Mechanics 仿真模型,在仿真环境中设置分析类型,就可以实现机器人的运动学(或动力学)仿真分析。设机器人的杆1和杆2长度均为018m ,其初

始位置杆1处于水平位置,杆2相对于杆1夹角为90°。末端点P 的期望轨迹为XY 平面内的一条直线,起点为(018,018),终点为(115,011),直线方程为y =-x +116。用关节传感器测得关节转角信号如图2所示,

用刚体传感器B2sen 2

s or 测得机器人的末端轨迹如图3所示。

2　基于MAT LAB 函数的运动学仿真

运动学仿真除了采用上面的机构仿真工具之外,

　CAD ΠCAPP ΠCAM ΠCAE

也可以用Simulink 公共模块库中的模块建立运动学仿真模型。但当机器人的运动学方程较复杂时,这种方法就显得繁琐。简便的方法是采用基于M AT LAB 函数的运动学仿真,这种方法主要通过用M AT LAB 语言编写M AT LAB 函数,来求解机器人的运动学方程和逆

运动学方程,从而建立机器人的运动学仿真模型[2]

。基于M AT LAB 函数的两关节机器人的运动学仿真模型如图4所示,并编制了求解运动学方程的M AT 2LAB 函数robot.m 以及求解逆运动学方程的M AT LAB 函数robot —1.m 。图4中机器人的末端位置指令坐标

(x i ,y i )

由轨迹规划给出,经过M AT LAB 函数的逆运动

学模块调用robot —1.m 运算后,得到关节1、2的转角信号θ1和θ2如图

5所示,再由M AT LAB 函数调用ro 2bot.m 进行运动学运算,得到机器人的末端轨迹如图6

所示。

图4　基于M AT LAB 函数的运动学仿真模型

图5　机器人的关节转角信号

比较图3与图6可见,两种运动学仿真得到的机器人末端运动轨迹相同,但测得的关节转角信号却不

同,原因是基于Sim Mechanics 仿真模型测得的是关节转角的增量信号,并且关节转角方向的定义与机器人运动学中的定义相反。

3　结论

图6　机器人的末端运动轨迹

1)两种仿真方法

都能实现机器人的运动学仿真,且对于复杂多关节机器人同样适用。

2)基于Sim Me 2chanics 的仿真模型,通过参数设置及仿真类型选择,可以方便地进行动力学仿真,

但不能进行逆运动学仿真。

3)基于M AT LAB 函数的仿真模型既可以进行运动学仿真,又可以进行逆运动学仿真。

对于复杂的多关节机器人,两种方法结合使用更

方便、有效。

参　考　文　献

1　薛定宇,陈阳泉.系统仿真技术与应用.北京:清华大学出

版社,2002

2　[美]约翰・F ・加德纳,周进雄,张陵译.机构动态仿真-使

用M AT LAB 和SI M U LI NK.西安:西安交通大学出版社,2002

收稿日期:20051012

(上接第167页)

6　闻德生等.开路式轴向柱塞泵最佳自冷却的探讨.机床与液

压,2004,9

7　闻德生等.闭路式泵滑靴底面动态仿真及试验.流体传动与

控制,2004,4

8　闻德生等.提高轴向柱塞泵性能指标的新方法.流体传动与

控制,2004,5

9　闻德生等.主动滚压式液压全自动钢板打印机的研究及应

用.中厚板,2004,5

10　闻德生等.柱塞式滚柱泵的原理研究.机床与液压,2005,4

11　闻德生.等宽双定子泵1中国专利局,发明专利,专利号:

02144406.4

作者简介:闻德生,教授,从事新型液压元件和液压传动的新型应

用领域研究,国家级突出贡献专家,首批国家级政府特贴专家,曾获国际、国内发明奖和科技进步奖等30余项,专利11项,发表论文80余篇。

收稿日期:20050910

　CAD ΠCAPP ΠCAM ΠCAE