基于LabVIEW的機器人運動仿真

基于LabVIEW的機器人運動仿真

機器人是機械、電子、控制、計算機和通信等多個學科的高新技術的綜合集成，機器人在各個領域的應用范圍越來越廣，并且機器人的智能化也越來越高。在國外，日本、德國和美國等國家在機器人領域處于領先地位。日本具有國際上最先進的機器人技術，不論在技術還是市場應用上，日本都走在前列；德國和美國仿生機器人，工業機器人等領域也處于國際前列。

我國的機器人產業雖然起步晚，但在“七五”、“八五”和“九五”機器人技術國家攻關，以及“863”高技術發展計劃的重點支持下，我國的機器人技術也取得了重大進展，在國內的一些高校，如清華大學、上海交通大學、浙江大學和哈爾濱工業大學都取得了一些成績。在進行機器人研究時，仿真是一個重要的研究方法，大部分研究者以MATLAB作為平臺仿真機器人運動。

近幾年，LabVIEW技術逐漸引入機器人研究中［5-7］。LabVIEW是一種程序開發環境，由美國國家儀器公司研制開發，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言編寫程序，產生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是虛擬儀器設計平臺的核心，其提供的機器人模塊是機器人設計的理想工具。

Puma560機器人理論

本論文在LabVIEW環境下，利用機器人模塊對Puma560機器人建模，通過仿真研究機器人的正逆運動學和運動規劃。

機器人介紹

Puma560機器人是六自由度串聯結構機器人，由六自由度旋轉關節構成，機器人坐標圖如圖1所示。

圖1中，Xi坐標軸為沿著Zi和Zi-1的公法線，指向離開Zi-1軸的方向；Yi坐標軸是按照右手直角坐標系法則制定的；Zi坐標軸為沿著i+1關節的運動軸；Zi和Zi-1兩軸心線的公法線長度為ai；Zi和Zi-1兩軸心線的夾角為αi；Xi和Xi-1兩坐標軸的公法線長度為di；Xi和Xi-1兩坐標軸的夾角為θi。

運動學方程和運動規劃

機器人位置結構和姿態結構末端執行器的位置矢量和姿態轉換矩陣，通過D-H齊次變換得到兩桿間的位姿矩陣：

式（1）中，sθi=sinθi，cθi=cosθi，sαi-1=sin αi-1，cαi-1=cosαi-1。

所以機器人的運動學方程為：

那Puma560機器人運動學的正解為：

圖1　Puma560機器人坐標圖

機器人運動學逆解就是已知末端連桿的位置和方位，求得機器人的各個關節變量，對于Puma560機器人，就是求解變量θ1<θ6。

機器人的運動規劃主要研究控制機器人的運動軌跡，使機器人按照規定的路徑運動，通常對各個關節按照聯動控制進行關節間的運動規劃，關節運動規劃的內容主要包含關節運動軌跡的選擇和關節運動位置的插值。

圖2　生成機器人程序圖

圖3　運動學正解程序圖

圖4　運動學逆解程序圖

機器人運動仿真

首先需要構建機器人，依據前面的理論知識，利用LabVIEW提供的機器人模塊的Acquire Kinematicsarameters和Generate Arm Kinematic Model子模塊生成Puma560機器人，程序圖如圖2所示。

利用LabVIEW提供的機器人模塊的Forward Kinematics子模塊進行Puma560機器人運動正解分析，程序圖如圖3所示。

當機器人運動時，需要給出位姿的末端位置，通過子模塊Posture to Transform、Analytical Inverse Kinematics和Joint Trajectory實現機器人運動學分析，得到機器人關節運動規劃，程序圖如圖4所示。

結語

本論文以Puma560機器人為機器人原型，利用LabVIEW提供的機器人模塊，編寫程序實現了機器人模型的建立和運動學解析。該系統的實現，說明LabVIEW是機器人研究的有力工具，可以提高機器人設計的效率。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.010