【毕业设计】数控机床上下料机械手及运动学仿真

1、 论文题目： 数控机床上下料机械手及运动学仿真 学科专业： 机械设计制造及自动化 完成时间： 2010 年 6 月 1 日 数控机床上下料机械手设计及运动学仿真中文摘要本设计主要是随着社会工业的发展，数控机床的运用越来越普遍，从而减轻繁重劳动的上下料机械手的需求越来越迫切。本文结合普通的数控机床来进行设计机械手臂，进行机械手的总体设计，腰座结构的设计，机械手手臂结构的设计，机械手腕部的结构设计，末端执行器（手爪）的结构设计，机械手的机械传动机构的设计，机械手驱动控制系统的设计。主要PLC进行控制程序设计。还要进行UG绘图，及运用MATLAB的动力学仿真。关键词：机座设计，执行器（手爪）的结构，

2、传动设计，控制系统设计,matlab动力学仿真 The Design of the Up And Down Material Manipulator of Digit Control Machine Tool with Emulation of DynamicsAbstractWith the development of industry,then digit control machine tools become more and more popular.So the requirement of up and down materrial manipulator is pressin

3、g. This contects common digit control machine to design manipulator. The important things are the design of the whole body,the design of the structure of machine waste，the design of the arm of the machine.The design ofthe trick of machine,the design of the structure ofthe implement end,the design of

4、 the passing force machine ,the design of driving systerm PLC control progress manipulator ,and UG mapping,the MATLAB emulation of dyninamic.Key words :the design of machine body ,the design of arm,the design of passing, the design of PLC control progress systerm manipulator ,and UG mapping,the MATL

5、AB emulation of dyninamics. . 目 录Hefei University1中文摘要2Abstract3目 录4第一章 绪 论51.1 数控机床上下料机械手简介51.2 设计目的61.3国内外研究现状和趋势71.4设计原则7第二章 结构设计92.1抓取机构部分92.1.1 抓取机构92.1.2设计时考虑的几个问题92.2.手腕结构设计102.21 手腕的自由度102.2.2手腕转动时所需的驱动力矩102.3基座设计112.3腰座设计112.4驱动设计122.5传动方式14第三章 运用PLC程序控制设计153.1输入和输出点分配表及原理接线图153.2 控制程序173.3

6、机械手传送系统梯形图20第四章 机器人运动学及运用MATLAB软件实现运动仿真264.1引言264.2MATLAB仿真软件介绍264.3基于Robotics Toolbox的机器人运动学正反解验证304.4基于Simulink/M函数的机器人动力学仿真314.5整个程序如下354.5.1PID控制规律S函数：pid.m354.5.2滑模控制规律S函数：smc.m364.5.3机械手被控制对象S函数：374.5.4作图程序：38第五章 结 论40参考文献41致 谢42第一章 绪 论 1.1 数控机床上下料机械手简介 机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机

7、械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，数控机床代表先进的生产力，代表先进的技术，精确化，自动化和模块化的标志。同时，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。要机器人像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分

8、组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机器人的性能。一般而言，机器人通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成。图1-1 机器人的结构目前，赋予机器人“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机器人的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机器人的。要实现机器人所期望实现的功能，机器人的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统

9、或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。为了更好实现运动则运用MATLAB软件进行仿真。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。1.2 设计目的 本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机

10、床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合 目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多

11、的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。对数控机床上下料机械手运用MATLAB软件进行运动学仿真。实现接近真实效果。1.3国内外研究现状和趋势目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：A机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三 位 一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。B工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件

12、集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。C机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。D关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发； E焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程

13、和系统动态仿真。总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。1.4设计原则 在设计之前，必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是：(1) 书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。(2) 在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。(3) 本着科学经济

14、和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，(4) 运用软件MATLAB,UG等(5) 也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。第二章 结构设计手部抓取机构是用来直接握持工件由于握持工件的形状,尺寸大小，重量，材料性能，表面状况等的不同，所以机械手的手部结构多种多样，大部分的手部结构是根据特定的工件要求而定的。归

15、结起来，常用的手部，握持工件原理，大致可分为夹持和吸附两类，即夹紧和电磁铁吸附。根据设计要求，这里主要探讨钳式的抓取机构，还结合自动化程度、设计和制造工作量的大小以及成本的高低。 2.1抓取机构部分2.1.1 抓取机构抓取装置可分为手指，传动机构和驱动装置三部分组成的1、 手指部分的设计，夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手

16、指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。采取两指，对抓取各种形状的工件具有较大适应性。可抓取轴，盘，套等零件。2、 传动部分的设计，通常的传动机构往往通过凸轮机构，齿轮机构，带传动机构和链传动机构来实现机构的夹紧和放松。平行手指的张开闭合靠手指的平行移动，适用于夹持平板和方料等，在夹取直径不同的圆棒时，不会引起中心位置的偏移，其机构复杂，体积较大加工精度要求较高。根据设计要求，工件为小圆柱，所以采取回转型手指

17、，其张开和闭合靠枢轴支点回转运动来完成的。有两个支点的，称为双支点回转型，有一个支点称为单支点回转型。回转型结构简单，形状小巧，但夹持不同工件会产生定位误差。本设计采用单支点回转型。而且还要安装电机和传感器，为控制做好伏笔。2.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅

18、度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。图2-1 机械手

19、爪2.2.手腕结构设计考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。2.21 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构.2.2.2手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运

20、动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图4-1所示为手腕受力的示意图。图2-2手腕 2.3基座设计 基座是整个机器人本体的支撑，基座底部可有轴和齿轮连接，该齿轮可与一连接电动机齿轮连接，从而达到减速和该齿轮转动目的。基座齿轮是为整个基座转动而制造的。此外，轴上端可制造称为螺杆。整个由一个较大的圆盘作为底部，盖住齿轮，还可支撑上面的受力需要。基座上面是接线盒子，所有电机的驱动信号和反馈信号都从中出入。接线盒子外面，有一个引入线出口和一个

21、引出线出口 2.4腰座设计 实现中间连接所需要的设施，由螺杆和一内齿轮连接连接，而内齿轮与机械手臂连接从而随底部的齿轮转动而转动。而且需要两个较高的支撑架在底座上，实现对机械手臂的固定。从而可实现机械手臂的上升和下降。还要在手臂上安装电动机和传感器等 机械手臂 可由一个孔与机械手部连接，从而实现机械手的伸长和收缩。 2.5驱动设计 该机器人一共具有四个独立的转动关节，连同末端机械手的运动，一共需要五个动力源。机器人常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。这三种方法各有所长，各种驱动方式的特点见表2.1：表2.1三种驱动方式的特点对照内容驱动方式液压驱动气动驱动电机驱动输出功率 很

22、大，压力范围为50140Pa大，压力范围为4860Pa，最大可达Pa 较大控制性能利用液体的不可压缩性，控制精度较高，输出功率大，可无级调速，反应灵敏，可实现连续轨迹控制气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速、高精度的连续轨迹控制控制精度高，功率较大，能精确定位，反应灵敏，可实现高速、高精度的连续轨迹控制，伺服特性好，控制系统复杂响应速度 很高较高 很高结构性能及体积结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较大结构适当，执行机构可标准化、模拟化，易实现直接驱动。功率/质量比大，体积小，结构紧凑，密封问题较小伺服电动机易

23、于标准化，结构性能好，噪声低，电动机一般需配置减速装置，除DD电动机外，难以直接驱动，结构紧凑，无密封问题安全性防爆性能较好，用液压油作传动介质，在一定条件下有火灾危险防爆性能好，高于1000kPa(10个大气压)时应注意设备的抗压性设备自身无爆炸和火灾危险，直流有刷电动机换向时有火花，对环境的防爆性能较差对环境的影响液压系统易漏油，对环境有污染排气时有噪声无在工业机器人中应用范围适用于重载、低速驱动，电液伺服系统适用于喷涂机器人、点焊机器人和托运机器人适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机器人，如冲压机器人本体的气动平衡及装配机器人气动夹具适用于中小负载、要求具有较高的位置控制

24、精度和轨迹控制精度、速度较高的机器人，如AC伺服喷涂机器人、点焊机器人、弧焊机器人、装配机器人等成本液压元件成本较高成本低成本高维修及使用方便，但油液对环境温度有一定要求方便较复杂机器人驱动系统各有其优缺点，通常对机器人的驱动系统的要求有：1）驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高；2）反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换；3）驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小；4）安全可靠；5）操作和维护方便；6）对环境无污染，噪声要小；7）经济上合理，尤其要尽量减少占地面积。基于上述驱动系统的特点和机器人驱动系统的设计要求，本文

25、选用直流伺服电机驱动的方式对机器人进行驱动。表2.2为选定的各个关节电机型号及其相关参数。 表2.2机器人驱动电机参数电机参数腰关节肩关节肘关节腕关节手爪型号MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO额定电压18v18v18v6v6v额定转矩18.2 Nm18.2 Nm18.2 Nm10.3 Nm10.3 Nm最大转矩67.4Nm67.4Nm67.4Nm额定转速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高转速转子惯量9200rpm18.4gcmcm9200rpm18.4gc

26、mcm9200rpm18.4gcmcm2.5传动方式由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机器人的传动机构的一般要求有：（1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻；（2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动；（3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度；（4）寿命长、价格低。 本文所选用的电机都采用了电机和齿轮轮系一体化的设计，结构紧凑，具有很强的带负载能力。 第三章 运用PLC程序控制设计启动SB1X0下限

27、行程SQ1X1上限行程SQ2X2右限行程SQ3X3左限行程SQ4X4停止SB2X5手动操作SB3X6连续操作SB4X73.1输入和输出点分配表及原理接线图机械手传送系统输入和输出点分配表夹紧SB5X10放松SB6X11单步上升SB7X12单步下降SB8X13单步左移SB9X14单步右移SB10X15回原点SB11X16工件检测SQ5X17 a、确定中间传动轴14的位置名 称代号输入电磁阀下降YV1Y0电磁阀夹紧YV2Y1电磁阀上升YV3Y2电磁阀右行YV4Y3电磁阀左行YV5Y4名 称代号输出图3-1确定中间传动轴14的位置3.2 控制程序操作系统 操作系统包括回原点程序，手动单步操作程序和自

28、动连续操作程序 图3-2其原理是：把旋钮置于回原点，X16接通，系统自动回原点，Y5驱动指示灯亮。再把旋钮置于手动，则X6接通，其常闭触头打开，程序不跳转（CJ为一跳转指令，如果CJ驱动，则跳到指针P所指P0处），执行手动程序。之后，由于X7常闭触点，当执行CJ指令时，跳转到P1所指的结束位置。如果旋钮置于自动位置，（既X6常闭闭合、X7常闭打开）则程序执行时跳过手动程序，直接执行自动程序。回原位程序回原位程序如图4所示。用S10S12作回零操作元件。应注意，当用S10S19作回零操作时，在最后状态中在自我复位前应使特殊继电器M8043置1。图 3-3回位转移图 手动单步操作程序 图中上升/下

29、降，左移/右移都有联锁和限位保护图3-4手动单步操作程序自动操作程序 自动操作状态转移见图所示。当机械手处于原位时，按启动X0接通，状态转移到S20，驱 图3-5自动操作程序动下降Y0，当到达下限位使行程开关X1接通，状态转移到S21，而S20自动复位。S21驱动Y1置位，延时1秒，以使电磁力达到最大夹紧力。当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升到达最高位，X2接通，状态转移到S23。S23驱动Y3右移。移到最右位，X3接通，状态转移到S24下降。下降到最低位，X1接通，电磁铁放松。为了使电磁力完全失掉，延时1秒。延时时间到，T1接通，状态转移到S26上升。上升到最高位，X2接通，

30、状态转移到S27左移。左移到最左位，使X4接通，返回初始状态，再开始第二次循环动作。在编写状态转移图时注意各状态元件只能使用一次，但它驱动的线圈，却可以使用多次，但两者不能出现在连续位置上。因此步进顺控的编程，比起用基本指令编程较为容易，可读性较强。3.3机械手传送系统梯形图如下图所示。图中从第0行到第27行为回原位状态程序。从第28行到第66行，为手动单步操作程序。从第67行到第129行为自动操作程序。这三部分程序（又称为模块）是图3.2的操作系统运行的。回原位程序和自动操作程序。是用步进顺控方式编程。在各步进顺控末行，都以RET结束本步进顺控程序块。但两者又有不同。回原位程序不能自动返回初

31、始态S1。而自动操作程序能自动返回初态S2。程序编写如下：0 LD M80021 SET S13 STL S14 LD X0165 SET S107 STL S108 RST Y0019 RST Y00010 OUT Y00211 LD X00212 SET S1114 STL S1115 RST Y00316 OUT Y00417 LD X00418 SET S1220 STL S1221 SET M8104323 RST S1225 OUT S1227 RET28 LD X00229 AND X00430 ANI T00131 OUT Y00532 LDI X00633 CJ P036 L

32、D X00037 ANI X00538 OUT M039 LD M040 AND X01041 SET Y00142 LD M043 AND X01144 RST Y00145 LD MO46 AND X01247 ANI X00248 ANI Y00049 OUT Y00250 LD M051 AND X01352 ANI X00153 ANI Y00254 OUT Y00055 LD M056 AND X01457 AND X00258 ANI X00459 ANI Y00360 OUT Y00461 LD M062 AND X01563 AND X00264 ANI X00365 ANI

33、 Y00466 OUT Y00367 P068 LDI X00769 CJ P172 LD X00773 SET S275 STL S276 LDI Y00777 AND X00278 AND X00479 AND X00080 SET S2082 STL S2083 OUT Y00084 LD X00185 SET S2187 STL S2188 SET Y00189 OUT TO K1092 LD T093 SET S2295 STL S2296 OUT Y00297 LD X00298 SET S23100 STL S23101 OUT Y003102 LD X003103 ANI XO

34、17104 SET S24106 STL S24107 OUT Y000108 LD X001109 SET S25111 STL S25112 RST Y001113 OUT T1 K10116 LD T1117 SET S26119 STL S26120 OUT Y002121 LD X002122 SET S27124 STL S27125 OUT Y004126 LD X004127 OUT S2129 RET 130 P1131 END以上控制程序实现了本设计要求实现的。第四章 机器人运动学及运用MATLAB软件实现运动仿真4.1引言机器人技术是一门最近二十多年间发展起来的科学技术，

35、随着机器人的普及与应用领域的不断扩大，对机器人的性能要求（如实时控制、动作精度、可靠性等）也不断提高，因此，为了能快速对机器人进行运动学、动力学分析，实现机器人机构和控制器的优化设计，进行机器人的动态仿真是一个重要的手段，对于其动态特性的研究及改善具有十分重要的意义。由于动力学分析的复杂性，推出的各关节动力学问题的表达式很复杂，计算量巨大，机器人系统动力学模型往往具有较复杂的多自由度、高非线性、高耦合的特点，通过建立其动力学方程并求其精确解是相当困难的。在应用牛顿欧拉方法完成了机器人动力学分析的基础上，本章在MATLAB平台下，建立了机器人的运动学图形仿真及动力学仿真模型，探讨了机器人的动力学

36、特性。4.2MATLAB仿真软件介绍目前，国内机器人仿真软件没有成型产品，只有一些不成熟的对某些新产品的仿真，或对个别机器人或机器人某个方面的仿真，尚无真正用来仿真机器人运动学、动力学等问题的成形工具。在国外，有专门为制造行业设计的机器人仿真平台，例如：RobotCAD和DEANNE公司的Evision软件，但价格昂贵，不适于普遍推广。目前看来，机器人行业对操作简单、可满足简单仿真功能、成本低廉的软件具有角度的需要，同时一些相关研究人员在已有的仿真平台上也开发了一些机器人仿真软件4647。模型输入与仿真环境Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。它支持连续、离散及两者

37、混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样频率的多种采样速度的系统仿真；它为用户提供了用方框图进行建模的图形化的用户界面（GUI），用户建模通过简单的单击和拖动就能实现，与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点。这一切使其成为国际上最流行的控制系统计算机辅助设计的软件工具48。当机器人的动力学方程较复杂时,完全采用基于Simulink模块的方法就显得繁琐，简便的方法是采用基于MATLAB函数的仿真，这种方法主要通过用MATLAB语言编写MATLAB函数，来求解机器人的相关方程，从而建立机器人的动力学仿真模型。所谓M文件，简单的说，就是用户把要实现的命令写在一个以.

38、m作为文件扩展名的文件中，然后由MATLAB系统进行解释，运行出结果。也就是说，M文件实际上仅仅是一个命令集49,50。M函数格式是MATLAB程序设计的主流，是由function语句引导的，其基本结构如下：function返回变量列表函数名（输入变量列表）注释说明语句段，由引导输入、返回变量格式的检测函数体语句end由于人脑有处理视觉信息所需要的高度能力，而图象又是沟通四围最自然的和手段，因此仿真信息的可视化处理称为仿真技术的影响重要内容。机器人图形仿真是将机器人仿真的结果以图形的形式显示出来，从而直观地显示出机器人的运动情况，得到从数据曲线或数据本身难以分析出来地许多重要信息。Roboti

39、cs Toolbox for Matlab是澳大利亚联邦科学与工业研究组织(简称CSIRO，Scientific and Industrial Research Organisation)制造科学与技术部的Peter.Corke教授于1995年开发的机器人工具箱，该工具箱提供机器人运动学，动力学，轨迹规划等函数，动力学分析采用牛顿欧拉递推算法。可以开展机器人运动学，动力学以及基于视觉的伺服控制等工作4647。28参考第二章建立的连杆坐标系参数，该机器人模型的构建命令如下：L1=link(0 0 pi/2 0 0,modified)%1号连杆坐标系参数，以下类似L2=link(pi/2 280

40、0 0 0,modified)L3=link(0 620 0 pi/2 0,modified)L4=link(pi/2 0 0 542.2 0,modified)L5=link(-pi/2 0 0 0 0,modified)L6=link(pi/2 0 0 0 0,modified)robot=robot(L1 L2 L3 L4 L5 L6)%构建机器人=工业机器人%命名robot.base=transl(0 0 0)%机器人基坐标系位姿（默认值）drivebot(robot)%机器人驱动命令运行上述命令，即可以生成该机器人的三维仿真图形，通过手动驱动图中的滑块或输入关节变

41、量的值，来改变机器人末端位姿，从而直观地显示机器人的运动。图29Robotics Toolbox提供了基于关节空间的轨迹规划函数，基于关节空间轨迹规划的动学仿真步骤如下：1.定义关节变量的初始值和终点值；qa=u(1)u(2)u(3)u(4)u(5)u(6)qb=u(7)u(8)u(9)u(10)u(11)u(12)2.构建机器人运动轨迹；jtraj()为关节空间的轨迹构建命令，具有下列函数形式：q qd qdd=jtraj(q0,q1,n,qd0,qd1)q qd qdd=jtraj(q0,q1,t)q qd qdd=jtraj(q0,q1,t,qd0,qd1)qd0、qd1为关节变量初值，

42、n为插值点数，t为定义的时间矢量，如t=0:0.05:5。3.运行Plot(q)命令。机器人开始运动，在指定时间采样点或插值点实现即定位姿。关节速度和角加速采用七阶多项式插值，边界条件默认为零。3.3基于Robotics Toolbox的机器人末端运动轨迹实时绘制由于机器人运动过程中，无法直观显示机器人连续运动过程中的末端轨迹，本节该工具箱的基础上编制了机器人末端运动轨迹的可视化程序，并进行了验证。算法程图如图4.2所示。4.3基于Robotics Toolbox的机器人运动学正反解验证Robotics Toolbox的fkine()函数为机器人运动学正解函数，本文通过将关节变量取不同值，验证

43、了在第二章中所推导出的运动学方程的正确性。如关节变量取值为（pi/3，pi/3，pi/3，pi/3，pi/3，pi/3），通过运动学方程，Matlab的计算结果为机械手的动态方程为Robotics Toolbox的fkine()函数计算结果如图4.4所示对于运动学逆解的验证，编制了机器人逆解求解及验证程序，输入一组关节变量值，程序求解对应该位姿下的所有逆解。图4.5为关节变量取值为pi/3,pi/3,pi/3,pi/3,pi/3,pi/3时，对应的机器人腕部坐标系位姿。在该位姿下的运动学反解存在四组解，2及5的正负号各产生一组解。程序求出的四种解如下图4.5对应Q1和Q3解的机器人腕部坐标系位

44、姿本节通过对运动学正反解进行验证，证明了所推导的运动学方程及逆解的正确性。4.4基于Simulink/M函数的机器人动力学仿真采用科学计算与控制软件Matlab，建立了集轨迹规划，运动学仿真，动力学仿真于一体的机器人仿真模型，在此基础上，可进一步建立机器人焊缝跟踪与控制，机器人连杆参数优化以及动力学性能优化的综合一体化仿真平台。为验证动力学模型，需要产生预期的关节位置、速度及加速度曲线。本文基于关节空间的轨迹规划，采用带抛物线过渡的线性插值方法及高阶多项式插值方法分别建立了机器人的动力学仿真模型。在动态系统的仿真和分析中，首先要建立系统的仿真模型。从宏观上讲，仿真模型通常由：信源(Source

45、)、系统(System)以及信宿(Sink)组成。本文建立的机器人动力学仿真模型原理图如图4.6所示图4.6动力学仿真模型原理图4.4.1采用抛物线关节轨迹插值法的机器人动力学仿真利用关节空间的抛物线关节轨迹插值方法，产生的关节运动轨迹如图4.7所示图4.7带抛物线过渡的线性插值利用Simulink建立的基于抛物线插值法的轨迹规划子模型如图4.8所示图4.8基于抛物线插值法的关节空间轨迹规划模型图4.9基于抛物线插值轨迹规划方法的动力学仿真模型机器人各关节角均输入极限值，仿真时间T=10.0s。模型可以输出各关节驱动力矩、末端执行器速度，加速度变化曲线，运动轨迹以及规划的角位移、角速度及角加速

46、度变化曲线。仿真结果如下：图4.16机器人末端轨迹图4.17机器人末端执行器速度曲线图4.18机器人末端执行器加速度曲线图4.19关节1位移、速度、加速度曲线图4.20机器人各关节驱动力矩变化曲线由仿真结果可知，机器人末端执行器速度，加速度及各关节的驱动力矩与采用抛物线关节轨迹插值法的动力学模型仿真结果基本相同。证明了两种关节轨迹插值法对机器人动力学性能影响很小。4.5整个程序如下：M 和b分别表示机械手的转动惯量和粘性摩擦系数，f表示施加的力,t机械手控制力矩，d表示建模不确定的外加干扰，/d/D令M=10.768,b=420.7,d=0.2控制参数kp=30,ki=3,kd=0.5,滑模控制D=1.0, =0.10,C=5.04.5.1PID控制规律S函数：pid.mfnctionsys,x0,str,ts=PIDFcontroler-1(t,x,u,flag)sitch flag,cse0,sys,xo,str,ts=mdlinitializeSize;cse3, Sys=mdoutputs(t,xu);cse2,4,9; Sys=;oherwise Error(unhandlled flag=,num2str(flag);edfnctionsys,x0,str,ts=mdlInitializeSizesize=simsize;size.N