基于MATLAB的ABB IRB1600 機器人運動學仿真

2019-09-12 07:43:52王沐雨吳國新

設備管理與維修 2019年9期

王沐雨，黃民，吳國新

（北京信息科技大學，北京 100192）

0 引言

隨著工業技術的發展，單純的手工勞動早已不能滿足現代社會的基本需求，工業機器人應運而生，大大提高了生產效率，是智能化社會發展的重要一步。瑞典的ABB 公司有巨大的影響力，是目前世界上工業機器人四大巨頭之一。

在工業機器人依舊昂貴的市場背景下，盲目安裝可能會導致人力物力的浪費。隨著計算機智能設備的發展，計算機虛擬仿真模擬技術也愈漸成熟。研究人員通過在計算機上建立工業機器人的仿真模型，使其具有與真實機器人類似的物理功能。例如MATLAB中的Robotics Toolbox（機器人工具箱），它包括了種類眾多的功能函數，可以對工業機器人進行運動學仿真，這大大減少了資源浪費。

1 ABB IRB1600 機器人基本結構

ABB IRB1600 是ABB 公司旗下的一款六自由度的串聯型機器人，它具有廣泛的應用，在碼垛、測量等領域都有優越的表現（圖1、表1）。

圖1 ABB IRB1600 機器人實物

表1 ABB IRB1600 機器人工作參數

2 使用改進D—H 方法的MATLAB 建模

圖2 所示為在ABB 公司旗下的軟件RobotStudio 中仿真的ABB IRB1600 機器人。

可以由機器人的改進的D—H 參數，利用機器人工具箱的Link 函數實現串聯機器人的建模。改進的D—H 參數來源于D—H 方法，D—H 方法是由Denavit 和Hartenberg[2]提出，本質為關節鏈中的每一個桿件都構建坐標系的矩陣方法，其采用4*4的其次坐標變換矩陣來描述機器人相鄰兩桿i 和i-1 的空間幾何關系，D—H 參數建模是常見的建模方式。本文采用改進的D—H 方法，與D—H 方法不同的是它是在遠離底座的結構處建立坐標系。ABB IRB1660 機器人的改進的D—H 參數見表2。

其中，θi為連桿轉角，即為兩條公垂線ai-1和ai間的夾角；di為連桿距離，即為兩條公垂線ai-1和ai間的距離；為連桿長度，即為i-1 與i 兩關節軸線間的公垂線長度；?i-1為連桿扭角，即為i-1 與i 兩關節軸線間的公垂線長度。

連桿坐標系的建立標準如下：Zi-1軸沿關節i-1 的軸線方向，Xi-1沿公垂線ai-1且指向Zi軸方向，Yi-1滿足右手定則。

圖2 RobotStudio ABB IRB1600 機器人仿真圖

表2 ABB IRB1600 機器人改進的D—H 參數

通過表2，可以在MATLAB 中利用Link 函數對IRB1660 機器人進行建模，代碼為：

可觀察其如下位姿（圖3）：

圖3 MATLAB 中某位姿結果

3 機器人正、逆運動學仿真

3.1 正運動學仿真

假設6 個關節轉角分別為（pi/6 pi/5 pi/4 pi/3 pi/3 pi），使用功能函數Fkine 編程如下：

G 即為機器人在關節轉角為q 時的末端位姿，計算結果如下：

3.2 逆運動學仿真

假設已知ABB IRB1600 機器人末端執行器的空間位姿為G，反求各個關節的轉動角度，使用功能函數ikin[1]編程如下：

N=ikine（robot，G）

N 即為機器人達到位姿G 時的一個轉角結果，計算結果如下：

將此結果N 與正運動學時輸入的轉角q 一起仿真出來，可以發現他們兩個是完全相同的位姿，由此可知機器人建模正確并且正、逆運動學分析正確（圖4）。

圖4 正向和逆向運動學轉角仿真比較

4 機器人軌跡規劃及其仿真

軌跡規劃方法是對機器人在運動狀態下的位移、角速度及角加速度進行規劃，得到其運動曲線并觀察其具體運動狀態。本文選用的是關節空間軌跡規劃法，在空間中選取任意兩點，調用MATLAB 的機器人工具箱中的jtraj 函數進行機器人的關節空間軌跡規劃。設關節空間中任意兩點間對應的的關節轉角為theta1=[0 0 0 0 0 0]（即θ1）、theta2=[pi/2 0-pi/2 0 0 0]（即θ2），運動采樣時間間隔為0.1 s，仿真時間為5 s，并用密集的黑色的‘o’型表現出來（圖5）。代碼如下：