基于MATLAB Robotics 的MOTOMAN

基于MATLAB Robotics 的MOTOMAN-HP6教学仿真摘要：机器人技术课上介绍的MOTOMAN-HP机器人是一款典型的工业机器人，限制于教室的空间和工业机器人样机的缺少，同学们无法深入了解工业机器人的运动过程。使用MATLAB Robotics Toolbox编制了简单的程序语句，采用了标准D-H参数建立机器人模型。对机器人的轨迹进行了仿真。通过仿真，直观的表现了机器人关节和各臂的运动过程，得到了机器人关节角度轨迹曲线。Robotics Toolbox还可以对机器人进行图形仿真，分析真实机器人控制时的数据结果。关键词：MOTOMAN-HP；MATLAB；教学仿真机器人技术是一门高度交叉的前沿学科方向，也是自动化和机电工程等相关专业的一门重要专业基础课。在机器人技术的教学和培训中，实验内容一直是授课的重点和难点。实物机器人通常是比较昂贵的设备，这就决定了在实验教学中不可能运用许多实际的机器人来作为教学的试验设备。由于操作不方便、体积庞大等原因，往往也限制了实物机器人在课堂授课时的应用。而同学们对于机器人实际运动又有很多不了解的地方。这就催生了机器人仿真系统在教学中的应用。MATLAB Robotics Toolbox是由澳大利亚科学家Peter Corke开发和维护的一套基于MATLAB的机器人学工具箱，当前最新版本为第9版，可在该工具箱的主页免费下载(/robot/)。Robotics Toolbox提供了机器人学研究中的许多重要功能函数，包括机器人运动学、动力学、轨迹规划等。该工具箱可以对机器人进行图形仿真，并能分析真实机器人控制时的实验数据结果，因此非常适宜于机器人技术的教学和研究。选取的机器人为安川工业机器人MOTOMAN-HP6，这个系列的机器人是老师作为实例重点讲解的。本文讲述了使用标准D-H参数法建构MOTOMAN-HP6模型，以及机器人运动轨迹仿真的方法。1. MOTOMAN-HP6机器人运动学模型MOTOMAN-HP6机器人是一个六轴（垂直多关节型）多自由度机器人。一边固定在机座上，另一边为机器人的末端执行器，属于开链型空间连杆机构。HP运动副都为转动副。以下为HP6的官方参数。图1.1HP6实物图 图1.2HP6机器人的结构尺寸及工作范围表1.1HP6机器人动作范围由图1.2可以看出机器人各个关节的尺寸关系以及中心点的坐标值及机座坐标原点的位置。表1.2为机器人各个关节角的范围。由D-H参数法，建立如图1.3所示MOTOMAN-HP6的笛卡尔坐标系。 图1.3H6机器人连杆坐标系 表1.2H6机器人连杆及关节参数关节i/m关节类型10.1500020.5700030.155000400-0.635050000600-0.09502. 基于matlab的轨迹仿真1) 机器人matlab模型建立在Robotics中构建机器人主要在于构建各个关节，在构建关节时，会用到工具箱中的LINk函数，它的基本形式为L =LINK( alpha A theta D sigma，CONVENTION)式中， 参数CONVENTION可以取standard和modified，其中standard代表采用标准的D-H参数，modified代表采用改进的D-H参数。参数alpha代表扭转角 ，参数A代表连杆长度，参数theta代表关节角，参数D代表偏距，参数sigma代表关节类型：0代表旋转关节，非0代表平动关节。构建机器人的程序如下：L1 = link( -pi/2 0.15 0 0 0);L2 = link( -pi 0.57 0 0 0);L3 = link( -pi/2 0.155 0 0 0);L4 = link( pi/2 0 0 -0.635 0);L5 = link( -pi/2 0 0 0 0);L6 = link( pi 0 0 -0.095 0);MOTOMAN-HP6=robot(L1 L2 L3 L4 L5 L6);2) 机器人的三维图当机器人处于初始状态=0 0 0 0 0 0，通过如下语句即可显示MOTOMAN-HP6机器人的三维图。（初始状态即各关节角度为零）q0 =0 0 0 0 0 0;plot(MOTOMAN-HP6,q0)注意到机械手的末端附有一个小的右手坐标系，分别用红、绿、蓝色箭头代表机械手腕关节处的X,Y,Z轴方向。并且在XY平面用黑色直线表示整个机械手的垂直投影3) 机器人图形仿真接下来，通过drivebot 函数来驱动机器人运动，可以通过调节滑块的位置来使关节转动，就像实际操纵机器人一样。Drivebot(MOTOMAN-HP6)4) 机器人轨迹曲线机器人轨迹规划的任务就是根据机器人手臂要完成的一定任务，例如要求机械手从一点运动到另一点或沿一条连续轨迹运动，来设计机器人各关节的运动函数。目前进行轨迹规划的方案主要有两种：基于关节空间方案和基于直角坐标方案。基于关节空间方案更加形象，适合课堂讲解，本文介绍关节空间的求解方案。用工具箱中q，=jtraj(，t) 命令来对多关节机器人进行仿真。= ;= ;t=0:t1:t;q，=jtraj(，t)其中，和是机器人各关节的初始位置和终止位置的角度; q是一个矩阵，每行代表一个时间采样点上各关节的转到角度，和分别是对应的关节角速度和关节角加速度。jtraj 函数采用的是7次多项式插值，默认初始速度和终止速度都为0。假设MOTOMAN-HP6型机器人要在3秒内从初始状态q0(q0 =0 0 0 0 0 0;)，转到qr状态(qr =-pi/3 -pi/2 -pi/6 pi/3 -pi/2 pi/6)则在关节空间进行轨迹规划的过程如下：首先创建一个运动时间向量，假定采样时间为t1=60ms,t=3s则有：t=0:0.060:3;在关节空间插值可以得到：q,qd,qdd=jtraj(q0,qr,t);subplot( 3,2,1) ;plot( t,q( : ,1) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint1( rad) ) ;subplot( 3,2,2) ;plot( t,q( : ,2) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint2( rad) ) ;subplot( 3,2,3) ;plot( t,q( : ,3) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint3( rad) ) ;subplot( 3,2,4) ;plot( t,q( : ,4) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint4( rad) ) ;subplot( 3,2,5) ;plot( t,q( : ,5) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint5( rad) ) ;subplot( 3,2,6) ;plot( t,q( : ,6) ) ;xlabel( Time( s) ) ;ylabel( joint6( rad) ) ;得到：我们还可以通过Robotics Toolbox扩展了的plot函数以三维动画的形式演示整个运动过程(文中无法演示)，调用语句为：plot(MOTOMAN-HP6,q);3结语本文简要介绍了使用MATLAB Robotics toolbox在机器人技术课上的应用，应用这个工具箱可以把学生们从抽象的概念和繁杂的数学计