基于MATLAB的5自由度机器人仿真研究

摘要

机器人技术是现代科学与技术的交叉和综合体现，它是综合了计算机、机构学、控制论、仿生学等多学科的先进科学技术，机器人的技术水平体现着一个国家的整体科学技术实力。机器人不仅被应用在军事、航天等尖端领域，还成为现代制造系统中一种不可或缺的装备，被广泛应用在飞机、汽车、电子产品等行业的制造过程中，现在正逐步走向社会、家庭，服务机器人已经进入到人们的日常生活中。
　　(1)在机器人的研究和设计中，机器人的运动学和动力学系统的有关理论与应用一直是研究人员关注的重点内容。本文以5自由度教学机器人为研究对象，首先采用D-H和齐次变换矩阵建立了机器人运动学模型，推导出了机器人运动学方程正、逆解的表达式。利用MATLAB编程和蒙特卡洛法分析了机器人的工作空间，为规划机器人的工作提供了参考。
　　(2)使用Pro/E软件建立了机器人的三维模型，利用VRML(虚拟现实建模语言Virtual Reality Modeling Language)对机器人的三维模型进行了编辑和定义，生成了机器人在虚拟现实中的仿真模型，采用虚拟现实技术进行仿真，能够直观、形象的观察机器人工作状况。
　　(3)基于MATLAB中的Robotics Toolbox，实现了机器人的正、逆运动学和轨迹规划的仿真，得到的运动曲线可以为机器人的工作规划提供参考。通过MATLAB/Simulink的虚拟现实工具箱实现了运动仿真的可视化，对固定轨迹时，在关节空间采用五次多项式插值，对机器人搬运工作进行了仿真，分析各个关节的角速度和角加速度，能够保证机器人平稳运行。
　　(4)采用MATLAB中的SimMechanics工具箱，建立了5自由度机器人动力学仿真模型，对机器人在固定轨迹时的搬运工作进行逆动力学仿真，得到了机器人各关节的力矩曲线，这样在实际工作中考虑重力、摩擦等其它外因，就能够得到各个关节在工作中所需要的力矩。
　　本文对5自由度教学机器人运动学和动力学分析获得的方法和结论对于机器人对于工业机器人的研究和设计有一定的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 工业机器人的定义

1．1．2 工业机器人的产生和发展

1．1．3 工业机器人的发展趋势

1．2 机器人仿真研究

1．2．1 国内仿真研究的现状

1．2．2 国外仿真研究的现状

1．3 虚拟现实技术

1．3．1 国内研究现状

1．3．2 国外研究现状

1．4 本文主要工作任务和内容

第2章 五自由度机器人运动系统分析

2．1 工业机器人运动学数学基础

2．1．1 位置和姿态的描述

2．1．2 齐次坐标变换

2．1．3 连杆参数和变换矩阵

2．2 机器人运动分析

2．2．1 机器人连杆坐标系的建立

2．2．2 机器人的运动学正解

2．2．3 机器人运动学逆解

2．3 机器人工作空间求解

2．3．1 工作空间的概念

2．3．2 求解机器人工作空间的蒙特卡洛方法

2．3．3 机器人工作空间仿真

2．4 机器人动力学

2．5 本章小结

第3章 五自由度机器人的轨迹规划

3．1 轨迹规划概述

3．1．1 点到点运动

3．1．2 轨迹跟踪运动

3．2 关节空间的轨迹规划

3．2．1 三次多项式插值

3．2．2 高阶多项式插值

3．2．3 用抛物线过渡的线性插值

3．3 笛卡尔空间的轨迹规划

3．3．1 直线插补算法

3．3．2 平面圆弧插补

3．3．3 空间圆弧插补

3．4 本章小结

第4章 基于VRML的五自由度机器人三维构建

4．1 引言

4．2 虚拟现实建模语言

4．2．1 VRML语言

4．2．2 VRML节点和域

4．3 机器人模型的建立

4．3．1 基于VRML的几何建模

4．3．2 VRML中模型编辑

4．4 视点的设置

4．5 本章小结

第5章 基于MATLAB的机器人三维仿真

5．1 机器人图形仿真技术

5．1．1 仿真原理

5．1．2 仿真方法

5．2 机器人的MATLAB仿真

5．2．1 构建机器人对象

5．2．2 机器人正运动学仿真

5．2．3 逆向运动学仿真

5．2．4 轨迹规划仿真

5．3 固定轨迹时仿真模型运动的实现

5．3．1 虚拟现实工具箱的MATLAB和Simulink接口

5．3．2 运动仿真

5．4 机器人动力学仿真

5．4．1 SimMechanics简介

5．4．2 建立仿真模型

5．4．3 运行仿真

5．4．4 曲线拟合

5．5 本章小结

第6章 结论与建议

参考文献

致谢