基于Robotics Toolbox的拆除机器人GUI仿真平台设计.pdf

2 0 1 4年 2月 第 4 2卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAULI CS F e b 2 0 1 4 Vo l 4 2 No 3 D O I 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 0 3 0 2 1 基于 R o b o t i c s T o o l b o x 的拆除机器人 G U I 仿真平台设计 朱婷婷 岑豫皖 安徽工业大学 安徽马鞍山 2 4 3 0 0 2 摘要 以拆除机器人工作装置为研究 目标 采用 MA T L A B R o b o t ic s T o o l b o x 建模 并在 G U I 中调用 R o b o t ic s T o o l b o x 程 序 建立了该装置运动学仿真图形用户界面 在该平台可以进行正 逆运动学仿真研究 快速绘制工作装置总工作空间和 特定姿态角下的工作空间 在工作空间利用 鼠标 自动拾取 目标点的坐标数值并进行运动学逆解计算 动态显示运动轨迹 等 仿真实验表明其有效性和实用性 关键词 G U I 拆除机器人 工作空间 建模仿真 中图分类号 T P 2 4 2 2 文献标识码 B 文章编号 De s ig n o f GUI Simu l a t io n Pl a t f o r m f o r De mo l it io n Ro bo t Ba s e d o n Ro bo t ic s To o l b o x Z HU Tin g t in g CEN Yu wa n A n h u i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y Ma a n s h a n A n h u i 2 4 3 0 0 2 C h in a Ab s t r a c t T a k i n g d e m o l i t i o n r o b o t w o r k i n g d e v i c e a s r e s e a r c h o b j e c t i v e M A T L A B R o b o t ic s T o o l b o x w a s u s e d t o b u il d it s m o d e l t h e Ro b o t ic s T o o l b o x p r o g r a m w a s c a l l e d in GUI t h e k in e ma t ic s s imu l a t io n g r a p h ic a l u s e r in t e r f a c e o f t h e d e v ic e wa s e s t a b l is h e d T h e p l a t f o r m c a n b e u s e d t o s imu l a t e t h e f o r wa r d k in e ma t ic s a n d t h e in v e r s e k in e ma t ic s t o d r a w t h e wo r k in g d e v ic e S e n v e l o p e d ia g r a m o f t h e wh o l e w o r k s p a c e a n d t h e w o r k s p a c e w it h a p a r t ic u l a r a t t it u d e a n g l e q u ic k l y t o p ic k u p t h e c o o r d in a t e v a l u e s o f a t a r g e t p o in t a u t o m a t ic al l y in t h e w o r k s p a c e b y m o u s e a n d t o c a l c u l a t e i t s in v e r s e k i n e m a t ic s t o d i s p l a y t h e t r a j e c t o r y d y n a m ic a l l y e t c S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w it s e f f e c t iv e n e s s a n d p r a c t ic a l it y Ke y wo r d s GUI De mo l it io n r o b o t W o r k s p a c e Mo d e l in g a n d s imu l a t io n 多关节机器人研究的一个重要方面是运动学研 究 通过建立其运动学数学方程并通过求正解及逆 解 可得到机械臂关节空问和位姿空间的相互关系 在研究运动学方程和各种正解及逆解算法的基础上 为了更直观和方便地研究机械臂运动学规律 克服机 器人关节运动的强耦合给其空间运动轨迹分析造成的 困难 开发可视化机器人仿真平台已成为机器人运动 学研究关注的热点之一 多关节机器人运动学仿真及可视化的主要方法 有 1 应用或编写专业机器人仿真软件 近年来 国内外已有许多功能齐全的 商品化的机器人设计和 研究仿真软件 文献 2 在推导和分析液压挖掘 机工作装 置运 动轨迹 和受力 规律的基础上 开发 了工 作装置挖掘性能可视化软件 该软件可快速准确地 描绘出工作装置挖掘范围 并且该软件绘制的挖掘力 云图可 直观描述挖掘 机在某 一区域 的挖 掘性 能 显然 开发这类软件是一项复杂艰巨的系统工作 2 采 用 P r o E A D A MS或 S o l id Wo r k s 等 三维 建模 软件 A D A MS软件是虚拟样机领域非常优秀的软件 它的 功能很强大 给用户提供了友好的界面 快速简便的 建模功能 强大的函数库 交互式仿真和动画显示功 能等等 但是用 A D A MS建立三维实体模型十分困 难 需要借助 P r o E等来辅助建模 在机器人工作空 间研究中 需定义油缸的先后动作顺序和设置驱动函 数方可得到工作空间 这种方法建模复杂 后续 的分析和仿真较困难 3 基于 MA T L A B的方法 MA T L A B是一种功能强大的数学计算软件 并且随 着各种工具箱的增加 其仿真功能 编程功能等也与 日俱增 由于在机器人的研究中 所处理的数据和各 种数据的计算量很大 而且大都是关于矩阵的运算 因此 目前很多机械人可视化仿真软件是基于 MA T L A B平台的 如曾建军 在研究排爆机器人遥操作 性能时 采用 MA T L A B进行数值计算 应用 O p e n G L 建立图形用户界面 但是其建模过程太过复杂 刘晓 玉等 在 MA T L A B中建立了机器人运动学可视化仿 真平台 利用 M A T L A B集成仿真环境 分别实现 了 机器人正逆运动学计算 机器人点动和联动操作的动 画演示等功能 徐兵 等人 在 M L T L A B s i m u l i n k环境 下对挖掘机进行动力学建模和仿真 这类仿真通常利 用 M A T L A B强大的计算功能和绘图及动画功能 但 是其三维建模和运动仿真都需要从最底层的 M A T L A B 程序编起 过程比较繁琐 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 6 作者简介 朱婷婷 1 9 8 9 一 女 硕士研究生 主要研究方向为机器人运动仿真 E m a il t i n g 1 6 3 C O B 7 4 机床与液压 第4 2卷 R o b o t i cs T o o l b o x是一 套 基 于 M A T L A B的应 用 工 具箱 提供了许多机器人学研究中需要的功能函数 方便了对机器人进行建模 和仿真 M A T L A B不仅 拥有高性能数值计算能力 而且能开发出界面友好 使用方便的图形界面 在系统仿真模型研究中得到了 广泛 的应用 G U I G r a p h i ca l U s e r I n t e r f a ce s 也 叫图 形用户界面 在该界面上 用户可 以选择相应控件来 创建界面对象 在属性编辑器中修改对象的属性 通 过 fin d o b j 命令获取所需对象的句柄 编写相应的回 调函数 即可完成 G U I 整个基本过程的设计 文 中 基于 R o b o t ics T o o l b o x工具箱建立了拆除机器人仿真 模 型 在 G U I 环境 中建 立 图形用 户 界面 该 界 面可 以进行正 逆运动学仿真研究 快速绘制工作装置总 工作空间和特定姿态角下的工作空间 在工作空间利 用鼠标 自动拾取 目标点的坐标数值并进行运动学逆解 计算 动态显示运动轨迹等功能 1 运动学建模 拆除机器人是一种借助液压锤或液压剪等工具实 施破拆作业的特种机器人 它通过高频液压振动对建 筑 路面 岩石等坚硬物体进行打击 广泛应用于市 政 矿山和抢险救灾等领域 拆除机器人典型结构如 图 1 所示 工作装置可绕底盘 3 6 0 旋转 并由3节杆 组成多关节机械臂 液压锤等破拆工具装于机械臂末 端 根据工作需要 液压锤通常要求在杆系平面内以 特定姿态角作用于破拆物体 图 1 拆除机器人结构图 在机械臂运动学分析研究中 通常将其工作装置 处理成多自由度的串联机械手 图2是根据工作装置 结构图建立 的 D H坐标系 D H坐标系参数见表 1 图2 机器人工作装置 D H坐标系 表 1 D H坐标系参数 根据表 1的D H参数 通过以下指令可以方便 地在 R o b o t ics T o o l b o x 工具箱 内建立 机器人模 型 L 1 l in k 0 3 l o J 0 0 g t a n d a r d L 2 I l in k 0 8 2 0 0 0 g t a n d a r d L 3 l in k 0 a 0 0 0 g t a n d a r d L 4 l i n k 0 a 4 O 4 0 0 0 g t a n d a r d m y 4 r r o b o t L 拆 除机 器人 其中 0 0 0 0 4 o 分别是各关节 的初始角度 任意给定一个关节矩阵 q l 0 0 2 0 3 0 4 J 运行命令 p l o t m y 4 r q 即可得到该关节矩阵下的拆 除机器人模 型 然后 定义各关节角最大值 最小值和各关节的先后动作顺 序 使用 j t r a j 命令在关节空间进行插值和 f k i n e命令 运行插值后的每组关节坐标并且记录下运行后得到的 各组末端坐标 将所有坐标点采用 s q u e e z e函数降维 处理后绘制 出来 即是相应工作空间 如图 3 所示 3 2 目 1 景 一 l 一2 3 4 图 3 总工作 空I司 图3绘制的是机器人在非特定姿态角下所能到达 的总空间 在每次实际作业中 应根据作业要求选择 最佳工作角 而特定姿态角下所能到达的空间肯定小 于