机器人学课程设计 基于Matlab的签名机器人建模与仿真报告.docx

机器人学课程设计基于Matlab的签名机器人建模与仿真一、课程设计问题描述 1二、六自由度机器人设计 1三、正运动学实现与工作空间 -H表 4四、机器人逆解与奇异型分析 6五、机器人数值解法改进 7六、心得体会 10七、程序流程与代码附录 10一、,要求2,3,4,5关节中有一个是滑动关节,其余关节应为转动关节。试构想该机器人的功能,并根据功能设定机器人的介绍参数(杆件长及关节极限);建立机器人的正运动学模型,进行Matlab运动仿真。(分析机器人的工作空间,制作机器人的各个运动的动画)。实现正运动学与工作空间自行设计一个六自由度机器人,对其关节建立坐标系,注意包含滑动关节;给出所设计的六自由度机器人的D-H参数表;推导所设计的六自由度机器人的正运动学,写出各个齐次变换矩阵;使用MATLAB编程,得出机器人工作空间,包含立体图和剖面图、机器人工作动画;对设计的六自由度机器人机器的工作空间进行简单分析。实现逆运动学轨迹规划这里特征机器人末端的轨迹规划,不是关节空间的轨迹规划;要实现控制机器人末端在空间完成某种轨迹(如直线、圆弧、写字、画图等);可以采用求解逆运动的方程或者是利用微分运动;写出详细的推导过程(公式);使用MATLAB编程仿真,得到仿真动画和图片。自由发挥项机器人完整逆解(数值解);寻找奇异点,分析奇异位型;附录要求附程序流程图;附代码。二、六自由度机器人设计机器人的基本构型设计如下图1所示为自行设计的六自由度机器人的基本构型。该构型有六个自由度,除第5个关节为伸缩关节外,其余关节为旋转关节图16Dof机器人构型机器人的关节与连杆参数设计如图2所示为自行设计的六自由度机器人的各项参数。该机器人共包含六个自由度。第一个关节为旋转关节,旋转范围为60°〜120°,第二个关节为旋转关节,旋转范围为10°〜60°,第一个关节与第二个关节之间的不动连杆固定长度为30cm,第三个关节为旋转关节,旋转范围为-145°〜-100°,第三个关节与第三个关节之间的不动连杆固定长度为70cm,第四第五个关节均为旋转关节,两个关节是组合在一起与第三个关节的不动连杆固定长度为40cm、第五个关节为滑动关节,滑动范围为10〜20cm,离该关节30cm的,第六个关节到末端距离为10cm。三、-H表其D-H参数表示如表1所示分析正运动根据正运动学原理,可以推导出六个正运动学变换矩阵为:即:末端位置在base坐标系下的位置为:0T7=1T7=1T2*2T3*3T4*4T5*5T6*6T7机器人正运动学仿真结果与工作空间根据正运动学原理,在MATLAB软件上对机器人进行仿真,机器人构型仿真效果如图4所示,仿真效果与我们期望构建的机器人效果相符。根据正运动学原理,仿真机器人画工作空间,其过程图如图5所示,工作空间的效果图及其三视图如图6、7、8所示图46Dof机器人 图56Dof机器人工作空间由于绘制工作空间所选角度较大,俯视图的工作空间线条之间的间隔较大,如下图6为工作空间的俯视图,图7为侧视图,图8为正视图。图6工作空间俯视图 图7工作空间侧视图图8工作空间正视图仿真结果分析通过仿真机器人的工作空间,可以看到机器人能到达的具体位置,显然和我们设想的范围一样。机器人手臂最长时可以达到150,由于机器人不同关节之间的限制关系,根据限制条件,仿真运动的范围与我们机器人构型设计的理论范围一致。四、,求解对应的关节变量。由于存在多解和无解的情况以及求解非线性方程组的难度比较大,所以逆运动学通常比较难求。常见求解方式主要有解析解和数值解两种。对于求解析解,常见有反变换法和几何法,数值解则可以采用各种梯度下降算法求解。对于机器人的逆运动学分析及其仿真将放第五部分的第一小节进行反变换法、几何法和数值求解分别对比分析。此处轨迹规划采用雅克比矩阵微分运动学进行轨迹规划。本小节采用雅克比矩阵进行轨迹规划,其核心在于矢量积构造法。矢量积构造法将求解雅克比矩阵分解为求解各个关节末端速度的贡献,从而实现从微分运动到轨迹规划,也就是说轨迹规划是微分运动的累加。其中计算雅克比矩阵方式如下:其中滑动关节五为由于末端关节微分运动与各关节变化量关系如下:则:所以我们可以通过采用计算雅克比