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SCARA 机器人运动学分析及 MATLAB 建模仿真

2017-3-27 02:01| 发布者: 327070162| 查看: 2440| 评论: 0

摘要:   SCARA 平 面 关 节 机 器 人 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 机 器 人 。SCARA 系统在 X、Y 方向上具有顺从性,而在 Z 轴方向具有良好的刚度,在装配作业中得到了广泛应用 ,因此有必要对 SCARA机器人进行研究。 轨 ...
智能拖地机器人,云鲸 NARWAL

  SCARA 平 面 关 节 机 器 人 是 目 前 使 用 最 广 泛 的 机 器 人 。SCARA 系统在 X、Y 方向上具有顺从性,而在 Z 轴方向具有良好的刚度[1],在装配作业中得到了广泛应用 ,因此有必要对 SCARA机器人进行研究。 轨迹规划在机器人学中占有极其重要的地位,任何作业的完成都离不开轨迹规划。本文将借助 MATLAB,利用D-H 参数法对 SCARA 机器人建模, 进一步进行机器人的轨迹规划。

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   1 SCARA 机器人运动学分析

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  SCARA 机器人是一种平面关节型工业机器人,共有 3 个旋转关节(分别是 1、2 和 4 关节),其轴线相互平行,实现平面内定位和定向;另 1 个关节是移动关节(3 关节),实现末端执行器升降运动[2]。 如 图 1 建立各连杆之间的 D-H坐标系。

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  表1 SCARA 机器人D-H 参数表

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  图1 SCARA 机器人D-H 参数坐标系

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   1.1 SCARA 正运动学

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  假设有一个构型已知的机器人, 即它的所有连杆长度和关节角度都是已知的, 那么计算机器人手的位姿就称为正运动学分析。 换言之,如果已知所有机器人关节变量,用正运动学方程就能计算任何一瞬间机器人的位姿[3]。

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  为了简化表达,令 c1=cos(θ1),c2=cos(θ2),c3=cos(θ3),s1=sin(θ1),s2=sin(θ2),s3=sin(θ3),s23=sin(θ2+θ3),c23=cos(θ2+θ3)。由 D-H 转换法则得,各坐标系转换矩阵分别为:

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  式(1)至式(4)矩阵相乘,得到如下机器人的基座和末端执行器之间的总变换:

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   1.2 SCARA 逆运动学

  为了使机器人手臂处于期望的位姿, 要确定机器人的所有关节变量,就需要机器人的逆运动学解[3]。 令 SCARA 机 器人末端执行器期望位姿为:

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  由式(8)两边矩阵对应元素(1,4)和(2,4)相等,得到:

  图2 SCARA 初始位姿

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  图3 SCARA 末位姿

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  图4 各关节变量与时间的关系

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  图5 各关节变量速度与时间的关系

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  假设机器人 5s 由初始位姿[0 0 0 0]移动到如图 3 的末位姿[pi / 2 pi / 3 50 -pi],在 MATLAB 平台下,得到的关节变量、变量速度、变量加速度随时间变化的图像[6]如图 4~图 6 所示。

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  图6 各关节变量加速度与时间关系

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   3.结束语

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  对 SCARA 机 器 人 进 行 运 动 学 建 模 以 后 , 在 MATLABRobotics Toolbox 下,完成了对机器人运动轨迹的仿真 ,得 到了各关节变量、速度和加速度随时间变化的曲线图形,正确快速地再现了机器人运动过程。可以看出,MATLAB 为实现机器人轨迹规划提供了强大的仿真能力, 为机器人教学或科研提供了有力的平台。

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