基于Matlab的工业机器人运动学分析与仿真

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基于Matlab的工业机器人运动学分析与仿真基于 Matlab 的工业机器人运动学分析与仿真
王智兴，樊文欣，张保成
，史源源
( 中北大学 机械工程与自动化学院， 山西 太原 030051)
摘要:为探讨更有效的工业机器人运动学研究方法， 以 Stanford 机械手为研究对象， 分析了其结构及连杆参数， 采用改进的 D- H 法
建立了各连杆坐标系和结构的运动学方程; 利用 Matlab 的绘图和矩阵计算能力， 特别是其 Robotics Toolbox 拈功能， 在 Matlab 环
境下建立了该机械手的运动学模型， 验证了运动学方程的正确性 研究结果表明， 通过机器人模型的手动控制和轨迹规划仿真可
以使机器人运动的研究过程更为直观
关键词:工业机器人; Matlab; 运动学; 轨迹规划; 仿真
中图分类号: TH12;TH113. 2
2;TP242. 2 文献标志码:A 文章编号:1001 － 4551( 2012) 01 － 0033 － 05
Kinematical analysis and simulation of industrial robot based on Matlab
WANG Zhi- xing，FAN Wen- xin，ZHANG Bao- cheng， SHI Yuan- yuan
( School of Mechanical Engineering ＆ Automation，North University of China，Taiyuan 030051， China)
Abstract: For the purpose of making kinematic researsh on industrial robot more effective，Stanford arm was studied. Structure and link pa-
rameters were analyzed， modified form of Denavit- Hartenberg notation was applied in establishing link coordinates and kinematical equation.
Matlab and Robotics Toolbox were utilized to configure the arm s kinematic model as the software are excellent in drawing and matrix manup-
ulation，validity of kinematical equation was verified. The results show that，it can visualize motion process by means of manual driving and
trajectory planning simulation.
Key words: industrial robot; Matlab; kinematics; trajectory; simulation
0 引 言
工业机器人是典型的机电-体化产品， 对其实物
进行研究和开发存在成本高 周期长等缺点 仿真技
术利用系统模型对实际或设想的系统进行试验研究，
其应用已经扩大为产品研制的全过程， 包括方案论证
设计分析 生产制造等各个阶段 Matlab 是-种可视
化的具有强大矩阵计算能力的编程语言， 在工业研究
产品开发 数值分析和科学计算等工程及科学方面的
教学与研究中是-个十分有效的工具
本研究以 Stanford 机械手作为研究对象， 首先分
析其结构和连杆参数， 接着采用改进的 D- H 法建立运
动学方程， 最后在 Matlab 环境下， 运用 Robotics Tool-
box 构建运动学模型并进行运动学仿真
1 Stanford 机械手的结构及连杆参数
Stanford 机械手的主要用途是抓取物料， 其关节结
构由回转主体 大臂 伸长臂 腕部等几部分组成， 臂部
采用极坐标形式， 有 2 个转动关节和 1 个移动关节
腕部有3 个转动关节以实现手腕的俯仰 翻滚和偏转
整个结构共有6 个杆件和 6 个关节， 具有 6 个关节自
由度， 如图1 所示［1］ 为表示 6 个杆件之间的相对位
置和姿态， 本研究采用改进的 D- H 法［2］建立6 个杆件
的固接坐标系， 如图2 所示
改进的 D- H 法和 D- H 法的区别在于建立坐标系
时原点和坐标轴的选取， 同样对连杆 i 建立坐标系
i : 采用标准的 D- H 法， i 的 z 轴与关节 i 1 的轴