摘 要

工业机器人由于其效率和高性能广泛应用于工业中，是一种由若干刚性连杆通过柔性关节交替连接而形成的开链型空间连杆机构，具有多个自由度。在实际生产应用中，能够按照人们的需求执行类似人类手臂的动作。

机器人的运动学分析研究的是机器人的各个连杆与机器人末端在空间中位置与姿态的关系。本文主要是以Stanford机械手为研究对象，通过D-H参数法，在建立机械臂连杆坐标系的基础上建立其运动学模型。然后对正逆运动学方程进行求解，并且通过MATLAB仿真对运动学方程进行分析与验证。在可视化的环境下，机器人的运动学分析为机器人后续的研究提供了良好的基础。在运动学分析的基础上，再对构建的机器人模型进行轨迹规划研究，分析各连杆与末端执行器速度与加速度的关系，这是运动学的正问题和逆问题在实际中的应用。

关键字：机器人；运动学；D-H参数法；Matlab Robotics Toolbox

Abstract

Industrial robots are widely used in industry due to their efficiency and high performance.It is kind of open chain linkage mechanism which is formed by a number of rigid links connected by a flexible joint alternately.It have a plurality of degrees of freedom and can perform an operation similar to the human arm.

Robot kinematics analysis refers to the the movement and position relationship between each of the links and joint motion and robot end, namely the robot hand in space pose.This paper mainly regard Stanford robot as research subjects,and by D-H parameter method, build kinematics model of the robot arm in the establishment of the robot arm linkage coordinate system and its structure was analyzed.Then the positive inverse kinematics equations were solved by MATLAB simulation and kinematics analysis and verification.In the visual environment, The kinematics analysis of the robot provides a good foundation for the following research. In kinematics analysis based on, to build a robot model were research trajectory planning, analysis each link and the end effector velocity and acceleration, which is the kinematics forward problem and the inverse problem in the actual application.

Keywords: : Industrial Robot; Kinematics; D-H parameter method; Robotics Toolbox Matlab

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 工业机器人的研究现状 2

1.3 本课题的主要研究内容 2

第2章 工业机器人及运动学原理 4

2.1 工业机器人简介 4

2.1.1 工业机器人的系统构成 4

2.1.2 工业机器人机构的分类 5

2.1.3 工业机器人的技术参数 6

2.2 工业机器人的位姿描述与空间变换 7

2.2.1 工业机器人的位姿描述 7

2.2.2 齐次变换及其运算 10

2.2.3 微分变换与雅可比方程 13

2.3 工业机器人运动学研究 16

2.3.1 工业机器人的连杆参数和关节变量 16

2.3.2 D-H参数法 17

2.3.3 连杆坐标系与齐次变换 17

2.3.4 工业机器人的正运动学求解 18

2.3.5 工业机器人的逆运动学求解 18

2.3.6 工业机器人的速度与角速度 19

第3章 工业机器人的运动学仿真 20

3.1 Matlab Robotics toolbox简介 20

3.2 机械手的运动学仿真 20

3.2.1 仿真研究思路 20

3.2.2 Stanford机械手连杆坐标系的建立 21

3.2.3 用LINK和ROBOT函数构件机器人对象 23

3.2.4 Stanford机械手的正运动学仿真 25

3.2.5 Stanford机械手的逆运动学仿真 27

3.2.6 Stanford机械手的速度与加速度 29

第4章 总结和展望 31

4.1 论文工作总结 31

4.2 研究工作展望 31

参考文献 33

致 谢 34

绪论

研究的目的及意义

计算机技术的不断进步，使机器人技术也在不断地进步与完善。机器人的普及与应用 志之一和新兴的高新技术产业，正对现代高新技术产业的各领域以至人们的日常生活都产生了重要的影响。工业机器人的广泛使用，不仅仅可以大幅度的提高劳动生产效率，还可以在某些极限环境中代替人工作业，提高工作强度，改善劳动环境，有着十分重要的意义。并且，工业机器人可应用的领域越来越广泛，因此也越来越受到国内外各大小企业的青睐。工业机器人从汽车行业逐步向其它行业渗透，其种类也由简单的操作臂逐渐发展成为各式各样的机器人。跟计算机和互联网技术一样，机器人已深入到了人类生活的各个方面，机器人技术与人类科学技术的发展，社会文明的进步有着密不可分的关系。事实证明，如今人类社会的发展已经离不开机器人技术，机器人技术的进步也必然会推动科学技术和社会的发展。

工业机器人智能程度不高，但是它是先进制造业中不可或缺的重要设备，能带来巨大的经济效益。工业机器人是一种能够在空间中完成各种作业的可代替人作业的机电一体化和自动化生产设备，特别适合于多品种、小批量的柔性生产。工业机器人的绝对定位精度较低，大部分都高于1mm，甚至有的只能达到3~5mm，其低定位精度严重制约了它的应用与发展^[1]。所以，在设计与生产工业机器人的过程中，我们必须要十分注重对其定位精度的要求。并且，在工业现场工作的机器人大多都会随着使用时间的增长有所磨损，精度自然就会难以达到正常生产的要求。在这种情况下，则需要对其重新进行运动学分析与设计。同时，机器人的能源消耗也是现在学术研究的重点，优化机器人的能源消耗，如今仍然是一个具有挑战性的任务，这也需要对机器人的运动学以及动力学过程进行深入了解^[2][3]。机器人的运动学分析是进行一切机器人技术研究的前提，是提高机器人绝对定位精度的基础，并且有研究表明，机械臂中有95%的定位精度误差是由所建的运动学模型的不精确引起的^[4]。所以在机器人原理与机器人应用的研究中，运动学分析是十分重要的内容。

机器人运动学主要研究的是手臂运动的几何关系，即在空间坐标系中，机器人的连杆关节变量与机器人末端执行器的位置和姿态之间的关系。它的主要任务是为机器人活动的控制与分析提供方法和手段。它在机器人控制与动力学的研究中，有着非常重要的地位，是机器人轨迹规划和离线编程等研究的根本，为之后深入的研究做准备。