Nachi MZ04機器人在智慧工廠中的運動仿真與軌跡規(guī)劃

胡丹丹 戴花林

摘 要：本文在Matlab環(huán)境下，利用機器人運動學原理對Nachi MZ04機器人的參數(shù)進行運動分析，并利用Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機器人進行三維建模、運動學分析，通過實驗證明了其正確性；在智慧工廠應用中進行了軌跡規(guī)劃，并通過規(guī)劃運動的動態(tài)圖、關節(jié)曲線圖以及機器人末端軌跡得出達到了預期效果的結論。

關鍵詞：Matlab Robotic Toolbox；機器人運動學；Nachi MZ04；智慧工廠

如圖1所示為工業(yè)4.0智慧工廠圖景，智慧工廠指向的是智能聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)：信息技術（IT）與自動化技術（AT）與傳統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境相結合，生成一個互聯(lián)的制造系統(tǒng)網(wǎng)絡，它們在本質(zhì)上是物理的，但又具有聯(lián)網(wǎng)通訊的功能，目的是通過通訊和智能聯(lián)網(wǎng)功能使得生產(chǎn)過程更加靈活、高效并具有可持續(xù)發(fā)展性，從而提高工業(yè)競爭力。

從圖中可以看出，機器人在智慧工廠中扮演著重要的角色，本文基于Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機器人進行運動仿真并在智慧工廠中進行軌跡規(guī)劃。

1 Nachi MZ04機器人的參數(shù)設計

MZ04機器人是由Nachi（那智）公司生產(chǎn)的6自由度串聯(lián)結構機器人，它由6自由度旋轉關節(jié)構成，其示意圖如圖2所示，其中，第1、2、3軸確定手腕參考點位置，第4、5、6軸確定手腕的方位。根據(jù)機器人自身參數(shù)和Craig參考坐標系建立約定建立各連桿坐標系如圖3所示。

當Nachi MZ04機器人處于初始狀態(tài)時，相應的連桿參數(shù)表如表1所示。其中a2=260mm，a3=25mm，d1=340mm，d4=119mm，d5=161mm，d6=-72mm。參數(shù)說明：

桿件長度ai-1為從zi-1到zi沿xi-1測量的距離；

扭轉角？琢i-1為從zi-1到zi沿xi-1旋轉的角度；

橫距di為從xi-1到xi沿zi測量的距離；

關節(jié)角？茲i為從xi-1到xi沿zi旋轉的角度。

2 Nachi MZ04機器人運動分析

機器人學中關于運動學和動力學最常用的描述方法是矩陣法，這種數(shù)學描述是以四階方陣變換三維空間的齊次坐標為基礎的，矩陣法、齊次變換等概念是機器人學研究中最重要的數(shù)學基礎，利用Matlab Robotic Toolbox中的transl、rotx、roty和rotz函數(shù)可以非常容易地實現(xiàn)用齊次變換矩陣表示平移變換和旋轉變換。例如機器人繞x軸平移了300mm的齊次變換可表示為：T=transl（0.3，0，0）；繞z軸旋轉了90°可以表示為T=rotz（pi/2）；繞y軸旋轉90°，接著繞x軸旋轉-90°，再沿z軸方向平移500mm對應的齊次變換可表示為：T=transl（0，0，0.5）*rotx（-pi/2）*roty（pi/2）。Nachi MZ04機器人中六個關節(jié)均為旋轉關節(jié)。

3 MATLAB運動仿真

機器人是由多個連桿連接而成的，機器人關節(jié)分為旋轉關節(jié)和移動關節(jié)。創(chuàng)建機器人的兩個最重要的函數(shù)是：Link和SerialLink。根據(jù)圖3和表1中的參數(shù)，可構建Nachi MZ04機器人仿真matlab程序并將仿真機器人（初始狀態(tài)）繪制如圖4所示。

圖5為MATLAB中機器人控制面板，圖中，q1、q2、q3、q4、q5、q6分別為關節(jié)1至關節(jié)6的關節(jié)角，對應表1中的？茲1至？茲6，可通過調(diào)節(jié)圖中的滑塊來使關節(jié)轉動，就像實際操作機器人一樣，通過機器人自帶示教儀實際操作機器人各關節(jié)與在Matlab中仿真控制各關節(jié)進行對比，所得結果一致，從而驗證了仿真建模的正確性。

4 智慧工廠中Nachi MZ04機器人的運動軌跡規(guī)劃

在實際模擬智慧工廠中，Nachi MZ04機器人用于抓取工件，通過機器人自帶示教儀測量出起始點關節(jié)空間矢量qA（0，0，0，0，0，0）與目標點關節(jié)空間矢量qB（1.6，1.-2，0，0，0）的坐標，利用Matlab Robotic Toolbox中的關節(jié)空間規(guī)劃算法jtraj可以計算出需要的軌跡，并可在matlab中看到運動動態(tài)圖以判斷是否可行，圖6為Nachi MZ04機器人關節(jié)3的角位移、角速度、角加速度曲線，圖7為Nachi MZ04機器人末端運動軌跡。

5 結語

本文簡單介紹了智慧工廠，利用Matlab Robotic Toolbox對Nachi MZ04機器人建立了三維模型，分析了Nachi MZ04機器人的運動問題和軌跡規(guī)劃問題，通過示教儀操控機器人與Matlab仿真控制機器人各關節(jié)結果對比驗證了模型建立與運動分析的正確性，在Matlab中進行軌跡規(guī)劃時可以看到機器人運動的動態(tài)圖，各關節(jié)沒有運動錯位的情況出現(xiàn)，由圖6可以看見關節(jié)能平穩(wěn)地由初始點運動至目標點，圖7可以看到機器人末端運動軌跡，達到了運動軌跡規(guī)劃的目的。

參考文獻：

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[2] 劉保住，蘇彥華，張宏林.MATLAB 7.0 從入門到精通[M].北京：人民郵電出版社，2015年2月第13次印刷.

[3] 羅家佳，胡國清.基于MATLAB的機器人運動仿真研究.廈門大學學報，2005年9月第44卷第5期：640-644.

作者簡介：

胡丹丹（1987-），女，漢族，江西南昌人，碩士研究生，高職講師，研究方向：機電一體化；

戴花林（1968-），女，漢族，湖南株洲人，本科，高職副教授，研究方向：電氣自動化。