基于Matlab的空间描点机器人建模与仿真报告

课程设计

课程名称机器人学

题目名称空间描点机器人建模仿真学生学院

专业班级

学号

学生姓名

指导教师

目录

1.课程设计要求 (1)

2.空间描点机器人的设计 (2)

2.1机器人构型及坐标 (2)

2.2D-H参数表 (4)

3.正运动学 (5)

3.1齐次变换矩阵 (5)

3.2 空间描点机器人工作空间 (6)

4.几何法求逆解 (7)

5.程序流程图 (8)

6.总结分析 (9)

7.Matlab程序附录 (10)

7.1 Mov_6DOF_Rob_Lnya.m (10)

7.2 DHfk6Dof_Lnya.m (12)

7.3 IK_6DOF_Rob_Lnya.m (13)

7.4 Build_6DOFRobot_Lnya.m (14)

7.5 Erzhihua.m (14)

7.6 draw_Workplace.m (15)

7.7 Matrix_DH_Ln.m (16)

7.8 Connect3D.m (17)

1. 课程设计要求

一，按照附件模板填写，要求有封面和目录，除签名处不能有手写。二，主要内容包括下面几个部分，

1，设计一款六自由度机器人，要求2，3，4，5关节中有一个是滑动关节，其余关节应为转动关节。试构想该机器人的功能，并根据功能设定机器人的介绍参数（杆件长度及关节极限）

2，建立机器人的正运动学模型，进行Matlab 运动仿真。（分析机器人的工作空间，制作机器人各个运动的动画。）

注意事项：

1）要求画出机器人的关节坐标系，列出DH 参数表，以及各个关节间的齐次变换矩阵。

2）Matlab仿真应画出工作空间的立体图和剖面图。采用机器人产品的同学应与实际说明书的工作空间做对比。自行设计的同学要做简单的分析讨论。

3）直接采用例程里面的三自由度机器人该部分得0 分。

3，实现逆运动学轨迹规划

注意事项：

1）这里特指机器人末端的轨迹规划，不是关节空间的轨迹规划。2）要实现控制机器人末端在空间中完成某种轨迹。（如直线，圆弧，心型，写字等）

3）可以采用求解逆运动的方程或者是利用微分运动。

4）写出详细的推导过程（公式）。

5）要求有仿真截图及动画。

6）只能使用matlab 及本课程提供的例程，不能使用工具箱。

7）仅仅使用3自由度例程的同学本部分分数会很低

4，自由发挥项（完成这一部分的同学才能够得到90分以上）

1）机器人完整逆解的求解方式（数值解）；

2）寻找奇异点，分析奇异位型。

5，Matlab程序作为附录应添加在课程设计报告书的最后面。要求在第一页附上程序流程图，注明函数调用过程，此外，程序要排好版。

2. 空间描点机器人的设计

2.1机器人构型及坐标

本课程设计通过matlab对一个六自由度的空间描点机器人进行设计，并对其进行仿真分析。该机器人的第一关节为固定关节，主要是用于机器人本体的固定，第四关节为滑动关节，剩余关节为转动关节，在第六关节的连杆末端，可以带上各类的设备，在运行时带动连杆对进行空间三维描点或其他动作。

机器人的结构和大致效果示意图分别如如图1和图2所示：

图1 机器人结构图

图2 机器人大致效果图

机器人关节坐标系和运行图如图3和图4所示：

图3 机器人关节坐标系

图4 机器人运行图

2.2 D-H参数表

根据本设计按摩机器人的各关节的坐标系及连杆长度，我们可以得到如下表1的DH 参数表。

表1 D-H参数表

3正运动学

3.1 齐次变换矩阵

由课堂知识可易知，机器人关节n 到关节n+1的坐标变换步骤为如下的模式：

()()()()1*0,0,*,0,0*n

n n n n n n T A Rot a Trans d Trans a Rot n θα+==轴,轴,

具体的齐次变换矩阵为：

10010

001

0010

000010001000000

1000

10

0100000010001000100

1S 00

00n n n n

n n n n

n n n

n n n n n n n n n

n n n n n n n n n C S a S C C S T d S C C C S S a C S C C S C a S S C d θθθθααααθαθαθθθαθαθθαα+-⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥-⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢

⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢

⎥⎢⎥⎢

⎥⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦

--=1⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥

⎢⎥⎣⎦

由上述知识，以及根据第三节的D-H 参数表，可求得如下各个关节之间的齐次变化矩阵：

1111

112000*********

01C S S C A T θθθθ⎛⎫ ⎪- ⎪

== ⎪

⎪⎝⎭

(1) 22222

230

0 00001800001C S S C A T θθθθ-⎛⎫ ⎪

⎪

== ⎪

⎪⎝⎭

(2)

3333

333

340

100010001000001C S C S C S A T θθθθθθ-⎛⎫

⎪

⎪

== ⎪- ⎪

⎝⎭ (3) 4

45100a450010000100

001A T +⎛⎫

⎪

⎪

== ⎪

⎪

⎝⎭

(4)