SCARA机器人MATLAB仿真实验报告

1、第1章任务描述及需求分析1.1 任务描述本文选用雅马哈公司SCARA（SelectiveComplianceAssemblyRobotArm）机器人作为该系统机器人主体，同时结合所选用的工控机、雅马哈SCARA机器人控制器RXC340等控制设备，还采用红外光栅以及光栅控制器构成安全保护装置，同时选用伺服驱动器、电机、震荡送料机、DDC工业摄像机、气动夹爪和气缸等相关设备共同组成了该自动插件机器人系统，在保证产品合格率达标、操作人员安全、经济效益高的条件下，将保险片插接速度提升至每分钟20个以上，良好的满足生产工艺的需要。本次实践主要包括两个部分，第一部分为了解自动插件机器人原理，相关硬件选型，

2、最终绘制电气原理图。第二部分为利用MATLAB软件进行SCARA机器人基于D-H法建模仿真，然后进行该机器人的正逆运动学分析并绘制相关位置、速度、加速度还有轨迹规划曲线。1.2 需求分析1.2.1性能指标分析（1）生产线插接速度=20个/min，且插接速度可调。（2）具有1-8种颜色的保险片识别功能，并能根据保险片的颜色进行1-6工位保险盒定位插接。（3）控制系统具有手动和半自动运行模式功能。（4）控制系统具有启动，停止，暂停等功能。（5）控制系统具有防触碰安全报警指示及复位功能。（6）储料区容量满时具有暂停供料功能。（7）控制系统可以实现脱机运行。1.2.2功能需求目前，工业上的自动插件技术

3、主要包括一下这几种，分别为人工插件技术，半自动插件技术和全自动插件技术。自动插件技术的发展主要是由于，传统的人工插件工艺已经无法满足现代工业的发展需求了，而且由于人工插件需要大量人工，随着社会的发展人工成本不断上升，并且人工插件的生产效率低、且生产质量得不到有效保障，这些问题都严重制约了企业的发展。所以设计出一款能够代替人工进行自动化插装的插件机器人是非常有必要的。在这次实践过程中，我们设计所采用的日本雅马哈公司生产的SCARA机器人，利用该机器人分别实现硬件设备的选型，电气原理图的绘制，还有基于MATLAB软件实现该机器人的仿真、D-H法以及正逆运动学分析。第2章方案论证2.1 技术指标分析

4、及实现技术指标主要指构成产品或系统的内在特征及其关系集合的量化描述，包括基本要素及其关系亦即结构方面的量化特征描述，主体支撑条件或环境的描述，系统与外部接口特征的量化描述以及系统自身空间规模的描述等等。技术指标侧重于系统的内在结构方面的量化描述，是性能指标的基础，这是由结构决定功能这一系统原理决定的，属于产品或系统的先天性指标。插件机器人的技术指标应该保证所选取各个器件的型号和规格满足实际工业过程的需要，并应该在保证性能1的前提下尽可能节约资金成本，使得整个插件机器人达到低成本、高效率的技术指标。2.2 主要元器件选型表1硬件选型表硬件名称具体型号数量机器人雅马哈SCARA机器人1工业计算机研

5、华IPC-610L15四核1机器人控制芯片雅马哈四轴机器人控制器RXC-3401传感器激光光电开关漫反射传感器4气动执行器静压式空气压缩机JUN-AIR1DC电源XS-100-24VDC开关电源1单片机STM32F4071光栅控制器DQC0620红外光栅1报警器LTE-1101J声光报警器4驱动器ASDA-B2交流伺服电机4摄像头小型工业级摄像头1震料送料机数字调压震动送料机12.3 软硬件设计硬件电路设计主要参照各芯片和器件的功能手册，根据各个引脚的功能完成电路连接，保证自动插件机器人正常稳定工作，具体硬件设计详见第三章。软件部分的设计主要采用RCXStudio程序进行机器人的基本位移操作，

6、RCXStudio程序自带机器人四轴运动的按键，可以控制四轴正反寸动。与此同时，计算机视觉处理程序能够实现对汽车保险片颜色的识别，并将识别结果通过串口输出至机器人控制器。机器人控制器根据颜色识别信息，通过点位示教以及点位变换，能够实现汽车保险片的准确焊接。2.4工程设计在满足设备基本功能的同时，应该根据实际生产环节需求进行相关设计。由于工业现场的环境极为复杂，并且可能存在一定安全隐患，因此在接线过程中应该将所有连接线放在集线器里面，IPC将信号线通过集线器送入单片机，单片机实现对继电器的控制，进而实现对机器人控制器RXC-340的控制功能。此外，工业生产过程中多为380V电压，应该熟悉每一种器

7、件的工作电压后再进行接线工作，防止器件烧毁甚至安全事故的发生。需要注意的是，给机器人控制器供电的24V电压往往不能直接获得，应该通过变压器将220V电压转换为24V才能够满足需要。-16-第3章系统电气原理图设计IPCOH-Y-HESCARA电机骡动图1系统电气原理图-4；.ia洞F1也悴7'-RCX340糾书;讶TWESI?妣Ft系统采用雅马哈SCARA机器人作为该系统控制机器人，同时选用雅马哈RCX340控制芯片作为主控芯片，利用该芯片连接四个电机驱动器，通过控制这四个电机驱动器来控制SCARA机器人各个关节的运动，同时各个电机接有编码器对于机器人的关节变量进行实时监控反馈，从而实

8、现该系统的自动插接功能。RCX340芯片通过集线器所选用的工业控制计算机相连接，由工业控制计算机输出相关的运动控制指令控制。工业控制计算机也通过集线器利用USB与工业摄像机DDC相连接，从而接受DDC所传输的数据信息，并加以分析与处理，构成该控制系统的视觉部分。工业控制计算机同时通过USB与STM32F407相连接，在这里STM32F407起到一个连接部件的作用同时通过它控制相应的继电器开关从而实现手动控制的目的。送料装置选用震荡送料机通过开关直接与交流220V电源相连接，关于执行器选用气动夹爪通过RCX340控制开关控制气缸的运行与停止，实现插件的夹取与松开。同时选用红外线光栅作为安全保护装

9、置，由光栅控制器控制。上述气动夹爪、光栅控制器等均通过端子板与RCX340芯片相连接，通过工业控制计算机软件程序对于相关输入信号进行处理分析、决策，输出相应控制信号进行控制。由于部分硬件设备工作电源为直流24V，故选取一个直流电源装置，将220V交流电转换为所需的直流24V电源。图2电机驱动电气原理图春uCZI-liSCARA机器人是具有四个关节的机器人，主要包括三个旋转关节，一个滑动关节。这四个关节通过四个伺服电机实现关节的运动，分别为M、M、M、M。该四个电1234机连接四个伺服驱动器，通过四个伺服驱动器控制四个电机的运动，同时每个电机均与一个编码器相连接，通过编码器反馈伺服电机的工作状态

10、给伺服器驱动器，使得系统的控制精度进一步得到提高。第4章插件机器人系统运动学建模4.1 正运动学分析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的关节变量，用正运动学方程就可以计算任意瞬间机器人的位姿。对于n自由度机器人而言，其末端位姿由n个关节变量所决定，这n个关节变量统称为n维关节矢量。所有关节矢量构成的空间称为关节空间。机器人末端的位置和方位通常都是在直角坐标空间中描述的，即用操作空间或任务空间来表示，统称为笛卡尔空间.机器人正运动学就是研究由关节空间向笛卡尔空间映射的问题。机器人正运动学求解就是

11、给定机器人各关节变量，计算机器人末端的位置和姿态。其实质就是求解运动学方程，即得到机器人各关节坐标，这对于机器人控制至关重要。通过D-H参数建模，我们构建了连杆坐标系，确定了D-H参数，求出了所有的变换矩阵。根据分析可知，所有的变换都是相对于动坐标系的，根据“算子左乘”的原则,课求出n自由度机器人最后一个连杆相对于基坐标系的位姿，即其总的变换矩阵。它是n个关节变量的函数，称为机器人的运动方程，它是把机器人的位姿从关节空间映射为笛卡尔空间的描述。在利用MATLAB软件进行机器人正运动学分析时，必须先建立对应的机器人模型，这里米用的是D-H法，由D-H法分析确定相关参数然后利用相关的建模函数，从而

12、构建对应的机器人模型。调用函数举例如下：LINK函数的调用格式：L=LINK(alphaAthetaD)L=LINK(alphaAthetaDsigma)L=LINK(alphaAthetaDsigmaoffset)L=LINK(alphaAthetaD,CONVENTION)L=LINK(alphaAthetaDsigma,CONVENTION)L=LINK(alphaAthetaDsigmaoffset,CONVENTION)参数CONVENTION可以取standard'和modified',其中standard'代表采用标准的D-H参数，modified'

13、;代表采用改进的D-H参数。参数'alpha'代表扭转角，参数'A'代表杆件长度，参数theta'代表关节角，参数'D'代表横距，参数sigma'代表关节类型：0代表旋转关节，非0代表移动关节。jtraj函数的调用格式：QQDQDD=JTRAJ(Q0,QI,N)QQDQDD=JTRAJ(Q0,Q1,N,QD0,QD1)QQDQDD=JTRAJ(Q0,Q1,T)QQDQDD=JTRAJ(Q0,Q1,T,QD0,QD1)其中t为时间向量，qz为机器人的初始位姿，qr为机器人的最终位姿，q为经过的路径点，qd为运动的速度，qdd为运动的

14、加速度。其中q、qd、qdd都是六列的矩阵，每列代表每个关节的位置、速度和加速度。如q（：,3）代表关节3的位置，qd（:,3）代表关节3的速度，qdd（:,3）代表关节3的加速度。除此之外，还包括TR=FKINE（ROBOT,Q），参数ROBOT为一个机器人对象，TR为由Q定义的每个前向运动学的正解，通过该函数可以进行该机器人正运动问题的求解，如果有了关节的轨迹规划之后，也可以用fkine来进行运动学的正解。利用RoboticsToolbox中的fkine函数可以实现机器人运动学正问题的求解。这里采用的调用格式如下：forward_kinematics=fkine（robot,q）该函数返回

15、的矩阵forward_kinematics是一个三维矩阵（4x4x41）,其中前两维是4X4的矩阵代表坐标变化，第三维是时间（程序中设定t=0:0.05:2，有41个采样时间）。4.2 逆运动学分析机器人的逆运动学分析与机器人正运动学分析刚好相反，如果说正运动学分析：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的关节变量，用正运动学方程就可以计算任意瞬间机器人的位姿。那么，如果想要将机器人手放在一个期望的位姿，就必须知道机器人的每个连杆的长度和关节的角度，才能将手定位在所期望的位姿，这就称为机器人的逆运

16、动学分析。inverse_kinematics=ikine（robot,forward_kinematics,qz,111100）参数robot为一个机器人对象，qz为初始猜测点（默认为0）,forward_kinematics为要反解的变换矩阵。当反解的机器人对象的自由度少于6时，要用M进行忽略某个关节自由度（由于这里采用四自由度SCARA机器人，取M=111100）。采用逆运动学分析主要是对正运动学运行结果进行进一步验证，通过逆运动学对机器人的运动进行正解，看看该机器人是否依旧还能正常地运行到目标位置，以此来评估该系统设计、仿真结果的好坏。4.3 D-H参数建模4.3.1 D-H法原理在进

17、行D-H建模时，需要将一个参考坐标系变换到下一个参考坐标系。假设现在位于本地参考坐标系x-z,那么通过以下四步标准运动即可到达下一个本地参考坐nn标系x-z。n+1n+11. 绕z轴旋转0，使得x和x相互平行。因为a和a都是垂直于z轴，因nn+1nn+1nn+1n此绕z轴旋转0确实可使x和x平行（并且因此也共面）。nn+1nn+12. 沿z轴平移d距离，使得x和x共线。因为x和x已经平行并且垂直于z,nn+1nn+1nn+1n则沿着z移动可使它们相互重叠在一起。n3. 沿着已经旋转过的x轴平移a的距离，使得x和x的原点重合。这时两个nn+1nn+1参考坐标系的原点处于同一位置。4. 将z轴绕x

18、轴旋转«，使得z轴与z轴对准。这时坐标系n和坐标系n+1nn+1n+1nn+1完全相同。至此，我们成功地从一个坐标系变换到了下一个坐标系。4.3.2 D-H法参数表通过网络查找关于SCARA机器人D-H法建模的方法，具体的SCARA机器人的D-H法建模仿真的方法如下图：00(004RRPR000-30图SCARA机器人D-H参数法图表2D-H法参数表#9daa关节类型0-100320旋转1-20025兀旋转2-303000滑动3-401500旋转由上述D-H法参数表结合MATLAB中Robot函数库中LINK函数的调用格式确定MATLAB程序建立SCARA机器人程序数据。LINK函数

19、的调用格式：L=LINK(alphaAthetaDsigma,CONVENTION)其中参数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'代表杆件长度，参数theta'代表关节角，参数D'代表横距，参数'sigma'代表关节类型：0代表旋转关节，非0代表移动关节。第5章正逆运动学仿真及结果分析5.1 正运动学仿真5.1.1 正运动学程序L1=Link

20、(00320L2=Link(0025piL3=Link(03000L3.qlim二0,30;%行程限制L4=Link(01500DHS=SerialLink(L1L2L30,'standard');0,'standard');1,'standard');0,'standard');%D-H建模L4);%建立机器人连杆DHS.displayO;%显示D-H参数表qz=pi,0,0,0;%起点关节运动量qr=3/2*pi,-pi/3,20,pi;%终点关节运动量t=0:0.1:4'%时间q,qd,qdd=jtraj(qz,qr

21、,t);%该函数假定时间从0变到1,共经过M步。它将轨迹返回到Q中，速度和加速度返回到QD和QDD中，它们都是MxN矩阵，%每个时间步长一行，每个joint列。forward_kinematics=fkine(DHS,q)figure('name','动态模拟过程')；DHS.name='SCARA'%命名DHS.plot(q,'workspace',-5050-5050-5050);%动态仿真%DHS.teach%打开各关节的驱动，用于调节各关节变量值figure%绘制位移、速度、加速度曲线q4=q();qd4=qd();qdd

22、4=qdd();subplot(2,2,1)plot(t,q4)title('位移变化曲线')；subplot(2,2,2)plot(t,qd4)title('速度变化曲线')；subplot(2,2,3)plot(t,qdd4)title('加速度变化曲线');subplot(2,2,4)x=zeros(40,l);%零向量y=zeros(40,1);z=zeros(40,1);forj=1:40x(j)=forward_kinematics(1,4,j);y(j)=forward_kinematics(2,4,j);z(j)=forward_

23、kinematics(3,4,j);endplot3(x,y,z,'r')%绘制轨迹曲线title('运行轨迹')gridon5.1.2正运动学仿真结果图3SCARA机器人正运动终点姿态仿真图5.2逆运动学仿真5.2.1逆运动学程序L1=Link(00320L2=Link(0025piL3=Link(03000L3.qlim二0,30;%行程限制L4=Link(01500DHS=SerialLink(L1L2L30,'standard');0,'standard');1,'standard');0,'sta

24、ndard');%D-H建模L4);%建立机器人连杆DHS.plotopt='workspace',-5050-5050-5050;DHS.name='SCARA'%命名qz=pi,0,0,0;qr=3/2*pi,-pi/3,20,pi;step=40;q,qd,qdd=jtraj(qz,qr,step);%该函数假定时间从0变到1,共经过M步。它将轨迹返回到Q中，速度和加速度返回到QD和QDD中，它们都是MxN矩阵，%每个时间步长一行，每个joint列。Tc=fkine(DHS,q);%正运动变换矩阵qi=ikine(DHS,Tc,qz,111100)

25、;%逆运动学求解ikine(机器人，变换矩阵，关节角度,六自由度以下用零隐藏)qq=qi(40,:)T=fkine(DHS,qi);%逆运动变换矩阵qL,qdL,qddL=jtraj(qz,qq,step);DHS.plot(q)DHS.plot(qi)figure%绘制位移、速度、加速度曲线%正运动学图像subplot(2,2,1);i=1:4;plot(q(:,i);title('位置')；gridon;subplot(2,2,2);i=1:4;plot(qd(:,i);title('速度')；gridon;subplot(2,2,3);i=1:4;plot

26、(qdd(:,i);title('加速度')；gridon;x=zeros(40,1)；y=zeros(40,1)；z=zeros(40,1)；forj=1:40x(j)=T(1,4,j)；y(j)=T(2,4,j)；z(j)=T(3,4,j)；endsubplot(2,2,4)plot3(x,y,z,'b')title('运行轨迹')gridonfigure%绘制位移、速度、加速度曲线%逆运动学图像subplot(2,2,1)；i=1:4；plot(qL(:,i)；title('位置')；gridon；subplot(2,2,2

27、)；i=1:4;plot(qdL(:,i);title('速度')；gridon;subplot(2,2,3)；i=1:4；plot(qddL(:,i)；title('加速度');gridon；x=zeros(40,1);y=zeros(40,1);z=zeros(40,1);forj=1:40x(j)=Tc(1,4,j);y(j)=Tc(2,4,j);z(j)=Tc(3,4,j);endsubplot(2,2,4)plot3(x,y,z,'b')title('运行轨迹')gridon5.2.2逆运动仿真结果图5SCARA机器人逆

28、运动终点姿态仿真图5.3结果分析通过基于MATLAB的Robot函数库对该系统雅马哈SCARA机器人进行D-H法建模,同时进行正逆运动学分析，仿真建模的模型与正逆运动学分析结果具体见上述分析，而且通过正逆运动学分析分别绘制正运动学的位移、速度、加速度和轨迹曲线以及逆运动学的位移、速度、加速度和轨迹曲线。通过对比上述各个曲线采用逆运动学分析主要是对正运动学运行结果进行进一步验证,通过逆运动学对机器人的运动进行正解,看看该机器人是否依旧还能正常地运行到目标位置,以此来评估该系统设计、仿真结果的好坏。观察上述曲线,显然系统设计、建模仿真和正逆运动学分析结果符合设计要求,满足相应的系统所要求的性能指标

29、。由上述曲线观察可知,正运动学的关节位置运动轨迹与逆运动学的关节位置运动轨迹完全相同,显然系统仿真设计没有问题。但是通过对比正运动学与逆运动学的关节位置、运动速度、加速度曲线虽然相似但是仍旧还是有一些不同。有一些关节的位置运动量显然减小了,进而相应的运动速度、加速度曲线也会有相应的变化,这些都是旋转关节的运动曲线的变化,而滑动关节在正逆运动学分析曲线中的位置、速度、加速度曲线是不变的。从正运动学的仿真结果我们可以看出正运动学就是已知各关节转动角度,求末端执行器相对于基座的变换矩阵T。在我们知道了每个关节自己的变化之后，我们就可以通过正运动学来求出末端执行器的位姿,以及其变化的矩阵。同时我们还能

30、得到SCARA机器人在运动变化过程中的位置、速度加速度。而从上面的仿真结果我们可以看出，逆运动学就是如果知道一个物体的笛卡尔坐标位姿，那么机器人需要怎样的关节坐标才能接近这个物体。一般逆解不唯一，不同的关节坐标得到了同样的末端位姿，其封闭解不唯一。在实际逆运动学求解方法中有数值解法和封闭解法两种。第6章总结通过这三周的实践学习，收获了许多知识同时也极大地提高了个人能力，尤其是在这个过程中的自主学习能力的锻炼与提高，对于今后的学习与工作都将会有极大地帮助，同时还对于关于软件的学习使得个人的理论知识有了用武之地，这提高学习兴趣和学习动力。经过对该插件机器人系统观摩学习以及原理分析，对于该机器人系统

31、的基本原理与工作过程有了一定程度的了解与认识。同时也对于相关机器人系统的基本组成有了基本了解与认识。之后利用网络下载AutoCAD2015,自主学习AutoCAD该软件进行设计。由于对于该软件的一些基本操作相对陌生，故而通过向选修过相关课程的同学询问请教,了解该软件的一些基本知识、基本常识及相关操作方法等。同时通过上网查找相关资料自主学习AutoCAD绘制电气原理图的一些基本操作，并利用该软件平台进行知识学习和操作实践,对于该软件有一定的操作能力,可以自主完成相关设计、这些极大地提高了实践动手能力与电气原理图的绘制能力。之后通过给MATLAB软件添加Robot库，并利用该库实现SCARA机器人

32、的D-H法模型构建以及该机器人的正运动学分析，并且实现该机器人的动态仿真和位移、速度、加速度曲线绘制等。充分利用互联网进行自主学习，查找关于MATLAB软件中的Robot库的相关问题，最终实现Robot库的下载与MATLAB中Robot库的路径添加，并经过测试该库可以正常使用。然后通过查找相关资料了解Robot库中相关函数的使用方法和相关参数意义，然后针对于实验室SCARA机器人进行相关测量，然后在绘制其图形后对各个关节利用D-H法的关节坐标系建立方法进行三个旋转关节和一个滑动关节的坐标系建立，通过所建立的坐标系绘制D-H法参数表，并分析并填写参数，最终利用MATLAB软件中的相关函数，建立该SCARA机器人的仿真模型，并最终完成该机器人的正运动学分析。在这个过程中，关于发现问题、分析问题、解决问题的能力得到了锻炼，同时自主学习和探究的能力也得到了提高。在这整个学习实践的过程中，遇到了许许多多的问题，