串联六自由度机器人运动仿真与控制系统仿真研究

摘要

随着企业用工成本的不断提高，在人力资源越来越紧张的环境下，如何降低生产成本，提高生产效率，提高企业竞争力逐渐成为了各个企业所关心的问题。制造业也是如此，工业机器人以其高效率、高精度、少人化或无人化等优点渐渐占据各个企业的生产现场，成为企业提高市场竞争力的重要手段。
　　机器人系统从控制的观点来看，是一个复杂的动态藕合系统，该数学模型的复杂性和非线性是很明显的。相比于传统的机器人设计方法，需要先制作出物理样机，然后再对它的性能进行反复测试比较，然后才能加以改进。这样做不仅是难以有效地提高机器人的性能，而且还会花费大量的资源，人力和时间。而利用虚拟样机技术来研究和开发机器人，在计算机中对它的参数化模型进行运动学、动力学和控制系统的仿真，并可以方便且直观地观察并分析出机器人的虚拟模型的优劣，进而对它们的性能进行分析和改进。这样便找到了一条更为简单的提高机器人的开发效率，降低研发成本的道路。
　　本文主要对于串联六自由度机器人（以HA006型工业机器人为例）的运动学进行了仿真和控制系统进行了仿真研究。对于HA006型机器人，讨论了机器人的位置和姿态表示方法。采用四参数的方法，利用齐次变换矩阵，构建了HA006型机器人的运动学方程。研究了该机器人的运动学正解和反解，并分析求解了它的雅可比矩阵，并对机器人的动力学方程和可达空间进行了初步研究。
　　在计算机中，观察并分析HA006型工业机器人的虚拟模型，进而对它的性能进行分析和改进。可以清楚地判定机器人运动方案是合理的，通过图像，看到所设计的轨迹规划和控制算法的可行性，这使得工业机器人的设计效率得到了极大的提高。
　　简单介绍了基于MATLAB软件平台的RoboticsToolbox机器人工具箱的特点。并且在这个工具箱的平台下，完成了对于HA006型工业机器人的模型的构建，并对它进行了运动学正逆解的仿真计算。
　　针对串联机器人（以HA006型工业机器人为例）运动的轨迹进行规划。首先，利用Solidworks软件平台建立起机器人的实体的模型，然后再以运动系统的推导公式为依据，利用MATLAB平台的机器人工具箱进行了模拟仿真和分析，显示出运动过程的实时情况，在这一过程中得到了许多有用的曲线的参数数据，为了控制系统设计的条件，达到良好的要求创造了条件。
　　介绍了应用ADAMS仿真软件，并且以HA006型机器人为例，对机器人运动学和动力学进行分析。由于ADAMS软件较难建立精确、复杂的实体三维模型，而这往往可以影响到仿真分析的准确性。因此，为了可以比ADAMS软件更为准确形象地建立起机器人模型，可以利用Solidworks平台来建立HA006型工业机器人的模型。并把它导入到ADAMS平台中完成对它的特性的修改，并用ADAMS平台作了一个较为简单的运动学仿真分析。
　　使用了ADAMS和MATLAB这两个软件，对HA006型机器人的联合控制系统进行了仿真。计算分析功能强大的MATLAB软件，能够迅速和容易地建立一个控制系统的模型。这两个软件的联合使用，可以把机器人的机械部分和控制部分的仿真结合起来，实现了较为真实的工业机器人的联合仿真控制系统。以MATLAB与ADAMS技术相结合的机器人控制系统建模与仿真的方法，具有质量好、效率高、实时性和可视性好等特点。此方法也可以应用到其它复杂机械系统的虚拟仿真当中，对提高产品设计性能、降低设计成本、减少产品开发时间具有重要的意义。

目录

摘要

1 绪论

1．1 综述

1．1．1 工业机器人简介

1．1．2 机器人仿真技术简介

1．2 国内外的发展现状和发展的趋势

1．2．1 机器人的国内发展现状

1．2．2 机器人的国外发展现状

1．2．3 机器人的发展趋势

1．3 课题研究目的和意义

1．4 课题研究的内容

1．5 本章小结

2 机器人运动系统分析

2．1 HA006型工业机器人简介

2．2 机器人位姿描述

2．2．1 位置和姿态的描述

2．2．2 齐次矩阵

2．2．3 广义连杆变换齐次矩阵

2．2．4 HA006机器人的D-H描述

2．3 机器人运动学

2．3．1 机器人运动学正解

2．3．2 机器人运动学反解

2．4 机器人的雅可比矩阵

2．5 机器人动力学研究

2．6 本章小结

3 MATLAB中机器人建模与仿真

3．1 Robotics Toolbox机器人工具箱

3．2 MATLAB机器人对象的构建

3．3 机器人运动学仿真

3．3．1 机器人运动学正问题

3．3．2 机器人运动学逆问题

3．4 本章小结

4 轨迹规划

4．1 轨迹规划概述

4．2 MATLAB中轨迹规划

4．2．1 基于关节坐标的轨迹规划

4．2．2 基于直角坐标的轨迹规划

4．3 连续路径机器人轨迹规划

4．3．1 连续路径轨迹规划

4．3．2 Solidworks运动学仿真与分析

4．4 本章小结

5 基于ADAMS的机器人动力学仿真研究

5．1 ADAMS功能简介

5．1．1 ADAMS主要工作模块

5．1．2 ADAMS建模与仿真步骤

5．2 工业机器人三维模型的建立

5．3 工业机器人运动仿真系统的建立

5．4 运动学及动力学仿真

5．5 本章小结

6 基于ADAMS和MATLAB的HA006机器人的联合仿真

6．1 控制系统结构

6．2 联合仿真机械子系统的建立

6．3 HA006机器人控制系统建模

6．3．1 MATLAB／Simulink概述

6．3．2 机器人控制系统建模

6．3．3 简化的联合仿真控制系统

6．5 联合仿真系统实验

6．4 机器人鲁棒自适应PD控制

6．5．1 建立HA006型机器人的控制方案

6．5．2 仿真设置和仿真计算

6．6 本章小结

总结

参考文献

致谢

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