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焊接机器人运动学分析及仿真流程说明

时间：2017-10-30 来源：机器人在线阅读：7257

焊接机器人运动学分析及仿真流程说明

本文以浙江大学自主研制开发的钱江一号焊接机器人为研究对象，对其运动学问题进行了相关研究.全文在对焊接机器人的研究及应用现状和机器人运动学研究的数学基础进行了详细论述之后，运用D-H方法建立了机器人运动方程，提出了一种基于旋转子矩阵正交的6R机器人运动学逆解算法，并与传统的反变换法进行了比较，对钱江一号焊接机器人进行了圆弧模拟焊接实验，构建了钱江一号焊接机器人运动学三维图形仿真系统。主要研究工作可以归纳如下:

1机器人正运动学分析与仿真

介绍了空间刚体位置和姿态的描述、机器人常用坐标系和齐次坐标变换，给出了机器人运动学方程的通式，讨论了机器人运动学逆解相关问题，建立了笛卡尔空间和关节空间的映射关系。

运用D-H方法构建了钱江一号焊接机器人连杆坐标系，确定了各连杆参数，逐步推导出机器人正运动学方程.在Matlab环境下仿真出机器人的初始位置，通过两点间正运动实例，对钱江一号焊接机器人关节运动进行了正运动学仿真，得到了8组不同的运动过程位置姿态，仿真出了机器人关节运动的角位移和机器人末端位移曲线，从而验证了机器人设计参数的合理性和正运动学求解的正确性。

2机器人工作空间的建立

根据机器人结构限位和系统具体要求确定了机器人关节变量的理论、限位和实际工作三种变化范围，运用使机器人各关节以一定步距角转动来选取关节变量组合的方法分别求解出机器人的理论工作空间、实际工作空间和特殊参数时的工作空间。

3本文提出的算法与传统算法关于机器人逆解的对比求解

在充分学习了国内外关于6自由度机器人运动学逆解算法的研究成果的基础上，讨论了机器人获得封闭逆运动学解的条件，提出一种基于机器人变换矩阵中旋转子矩阵正交的6R机器人运动学逆解算法，即利用旋转子矩阵正交的特性，运用内积与矩阵乘法，通过含有四个未知变量的四个常系数非线性方程，辅以其他方程，最终得到8组封闭逆解。

为了更好地说明本文提出算法准确、快速和有效的特点，分别采用传统的反变换法和本文提出的算法求解出钱江一号焊接机器人的封闭逆解。取钱江一号焊接机器人在笛卡尔空间任意给定一点的位姿，分别按照两种不同的算法在相同的实验条件下采用相同的程序设计方法用VC一编程实现进行了对比实例求解.对比结果表明:(1)本文提出的算法不需要左乘逆矩阵，只需通过矢量运算，得到包含不同未知变量的4个常系数非线性方程，辅以其他方程，很容易求出其余两个变量，计算过程相对简单;(2)两种算法能够得到完全相同的机器人8组封闭逆解，并且均能使运动学逆解对应的末端位姿矩阵元素具有8位以上的精度，满足工程实际的需要;(3)本文提出的算法解决逆解问题仅需要0.087 ms，比反变换法快0.023ms，因此具有更高的实时性能，满足强实时在线控制的要求.

4机器人模拟焊接实验与仿真

在求得机器人8组封闭运动学逆解的基础上，在平面运动工况下，对钱江一号焊接机器人进行了8150圆弧模拟焊接实验，仿真得到关节空间各关节角位移曲线，最终的模拟实验结果与预定曲线一致，机器人运动过程平稳，无冲击和干涉现象，进一步验证本文提出算法的准确性、合理性和有效性.

逆运动学仿真得出的8种满足同一末端位姿条件的机器人姿态，验证了机器人逆解的多解性和逆解算法的正确性.在笛卡尔空间进行了逆运动仿真分析，得到了机器人两点间逆运动的关节角位移和末端位移曲线，并与正运动学仿真曲线进行了比较，进一步弄清了正逆运动学之间的关系，为研究机器人动力学和控制规划打下了基础.

5基于Matlab实现了对机器人运动学的三维图形仿真

Matlab是一种开放的适用于多种软硬件平台和操作系统的图形标准，参照其机器人工具箱，开发了钱江一号焊接机器人运动学三维图形仿真系统.实现了机器人正运动学、机器人工作空间、机器人逆运动学、机器人运动轨迹、雅可比矩阵和综合仿真演示六个部分的功能.以空间样条曲线运动仿真分析为例，采用前文提出的封闭逆解算法和三次B样条插值规划的方法，得到了各种有效的仿真数据和结果，进一步验证了对钱江一号焊接机器人运动学分析研究系列结论的正确性，说明了该仿真系统能够较好地反映出机器人实际运行情况。运动学的仿真对实际工作的指导性很强，根据仿真分析的结果来对机器人的实际工作的运行程序进行调整，使得机器人的应用功能发挥极致。