焊接机器人正运动学仿真实例

机器人正运动学的仿真是在确定连杆参数和已知机器人各关节的运动情况基础上，考察机器人末端执行器的运动情况，以便于理解机器人的结构原理，研究其可达到的各种位形，进一步验证机器人正运动学求解的准确性.本文在Matlab环境下，运用Robotics Toolbox，只需编制简单的程序就可以对研究的机器人进行运动学正解分析.其流程图如图3.2所示.

 

机器人仿真应能完成一类或多类机器人的运动学、动力学、轨迹化及控制算法、图形显示和输出等功能.一般说来，机器人仿真技术涉及的范围很广，但是大致可以把机器人仿真技术分为两大类:设计机器人时所必须具有的结构分析和运动分析仿真技术;支持机器人编程的仿真技术.仿真技术还可以帮助用户选择适合特定作业环境的机器人类型。对机器人进行图形仿真，可以将机器人仿真的结果以图形的形式表示出来，从而直观地显示出机器人的运动情况，得到从数据曲线或数据本身难以分析出来的许多重要信息，还可以从图形上看到机器人在一定控制条件下的运动规律。钱江一号机器人三维图形仿真系统将在本文第五章详细论述。

机器人运动学仿真在开发或分析一个机器人系统时是十分必要的.它可以实现机器人的各关节坐标的齐次变换，分析机器人运动学或检查逆问题求解是否正确，实现关节运动轨迹的实时检测和机器人动态演示等功能，可以用于机器人教学，也可以应用在机器人的工业环境中进行实时检测，具有较好的应用意义。运动学仿真不同于动力学或控制仿真，由于动力学或控制仿真是忽略了许多次要因素并通过线性化而得到的近似模型，因此仿真情况与现实情况可能有较大差距;但运动学仿真结果完全是真实可靠的，这由运动学正、逆问题公式的准确与可靠保证的。对机器人运动学仿真也进行了很多研究，如结合VRML和MATLAB开发的高效低成本的焊接机器人运动仿真软件.综合VC + + 6.0,OpenGL和MATLAB6.0三种软件的优点，建立的通用机器人仿真试验平台,以六自由度机器人三维运动仿真为背景，利用SolidWorks下Cosmosmotion实现机械手运动模拟的有效实体方法对六自由度机器人进行三维建模.运用DELMIA软件对机器人运动学问题进行验证及其仿真;通过网络对机器人进行远程仿真和控制的客户端研究.基于MATLAB及其工具箱和基于虚拟样机技术的ADAMS机器人仿真等等。

 

运动学仿真的内容包括:

 

1)机器人运动空间的描述.运动学正问题，是己知关节角，求解机器人末端的位置和姿态，因此在已知各关节角运动范围条件下，使用运动学正问题就能很好地解决运动空间分析问题，用以评估是否满足工作的要求.

2)检查和完善运动学逆解公式。机器人逆向运动学求解过程非常复杂，经常会遇到多解问题。而绝大多数工业机器人运动控制是建立在一套正确的运动学正逆解问题求解公式基础之上的，即墓于运动学控制.通过仿真发现和解决问题，确保机器人运动学正、逆解准确可靠，为机器人运动控制提供必要条件.

3)验证机器人算法的合理性和有效性.在具体工况下，根据机器人运动算法进行运动仿真，跟踪末端运动轨迹得到仿真曲线;通过机器人实际模拟运动，可以得到实际工作曲线.将得到的曲线进行比较，就可以检验算法是否合理有效.

机器人运动学的研究涉及大量的数学运算和矩阵处理，计算工作相当繁琐，因此采用合适的工具软件对其分析可以大大提高工作效率.由于Matlab相对其他软件有着强大的矩阵计算能力，而在机器人仿真过程中矩阵计算占了很大的一部分，因此本文选择Matlab作为机器人仿真的工具.利用Matlab语言对机器人操作机进行运动学分析，得到不同关节角度下的机器人末端执行器的位姿.由于其编程简洁，可充分有效地完成简单的仿真过程，加深对机器人运动学理论的研究.

 

前面我们将机器人连杆坐标系的初始参数代入机器人运动学方程，得到式(3.4)，从数值上验证了运动学方程的准确性.通过仿真得到机器人的初始状态，则能更加直观的校核杆件坐标系的建立和运动学正解，且便于理解掌握机器人结构原理，为运动学仿真打下基础。

 

    图中所示的是机器人在Y-Z平面的初始位置仿真图，其姿态和杆件坐标系(图3.1)完全一致，说明杆件坐标系和运动学正解求解的准确性.需要指出的是，由于机器人末端两个关节的坐标原点(04和q)重合，所以仿真图中第5. 6关节的原点是重合，而图3.3中所示是为了更直观的表示机器人的结构特点.