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摘 要

机械臂在生产制造业中具有非常广泛的应用，机械臂的模型与运动控制的技术直接决定它的应用范围以及工作效率。本文先从机器人运动学、运动轨迹的基本理论入手，选择使用标准的D-H建模方法，通过模仿实验室的机械手臂建立数学模型，运用所建立的机械手臂的模型，对正运动学、逆运动学进行求解运动学方程。在机械臂的规划轨迹中，通过轨迹规划的方案的比较，选择关节空间轨迹规划的三次多项式方案，对机械臂进行轨迹规划，设定一组起始与终止点，计算出轨迹方程，使用轨迹方程确定关节的参数值和机械臂末端的位置与姿态，从而得到一条轨迹。最后，使用MATLAB对机械臂进行建模，通过调用MATLAB工具箱中的jtraj函数对机械臂进行正运动学轨迹仿真和调用ctraj函数对机械臂进行逆运动学轨迹的仿真，分别把所得到的结果与正逆运动学所推导的结果进行比较，对比两条轨迹的差别。

关键词:运动学 轨迹规划 轨迹仿真 运动控制

2015 Robot Arm Modeling And Motion Control

ABSTRACT

The manipulator has a very wide application in the manufacturing and manufacturing. The model and motion control technology of the robot arm directly decide its application range and work efficiency.Firstly from the basic theory of robot kinematics, trajectory of choose to use standard D-H method, mathematical model is established by simulating the lab's robotic arm and the use of a mechanical arm model, of forward kinematics and inverse kinematics solving motion equations. In manipulator trajectory planning, through the comparison of trajectory planning scheme, choice of joint space trajectory planning of cubic polynomial scheme, on the mechanical arm of trajectory planning, setting a start and end point, calculation of the trajectory equations, using trajectory equations determine joint parameters and the mechanical arm at the end of the position in the attitude, so as to obtain a trajectory. Finally, modeling of the manipulator by using MATLAB, functions by calling the MATLAB toolbox in jtraj of manipulator of positive kinematics trajectory simulation and call ctraj function of the manipulator of inverse kinematics trajectory simulation, respectively, the results are compared with the obtained results and the forward and inverse kinematics of the derivation of, comparing the two path difference.

Key words: kinematics;trajectory planning;trajectory simulation;motion control

目录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1机器人机械手臂的研究 1

1.1.1 研究热点 1

1.1.2研究意义 1

1.2课题的意义 2

1.3本文要研究的主要内容 2

第二章 机器人手臂的建模与运动分析 4

2.1 建模的方案 4

2.1.1采用D-H标准建模 4

2.2 建立一个三自由度的机械手臂 6

2.3 运动学分析 7

第三章 轨迹规划 10

3.1轨迹规划目标 10

3.2轨迹规划的方案 10

3.2.1 方案一：关节空间的轨迹规划 10

3.2.2 方案二：直角坐标空间的轨迹规划 13

3.3对三自由度机械臂进行轨迹规划 14

第四章 机器人MATLAB仿真 17

4.1创建机器人机械手臂模型 17

4.2运动学仿真 18

4.2.1正运动学仿真 18

4.2.2逆运动学仿真 23

第五章 课题总结 27

参考文献 28

致谢 29

第一章 绪论

1.1机器人机械手臂的研究

1.1.1 研究热点

国内外对于机器人机械臂的科研技术，2015年对机器人机械臂的相关研究简单可以总结为：

（1）机械臂结构：机器臂模型的形态架构和设计，是根据在实际的环境实际的情况实际要完成的任务而定的。在机器臂各个组成部分中，联系机器人在各个范畴及各类场合的应用，必须发挥具有创造性的想象与尝试，才能突破现有的模型结构基础^[1]。

（2）运动控制技术：控制技术的先进程度很大地决定机器人性能的好坏，一个机器人并不是一个完美的系统，它是一个缺少驱动的零漂移系统，它需要从外界所接收的信息提取出它能识别的东西，从而做出应对。所以，它是不可以通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，只能通过时变、不连续控制以及混合策略，并且依据所有的模型进行相对应的控制，建立合理的反馈控制律，实现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡。

（3）路径规划技术：对机械臂所需要走过的路线进行规划，从而达到期望的运动轨迹。路径规划是按照机械臂工作的要求，在具有障碍的空间中，按照一定的评价标准，对机械臂末端在工作过程中的状态来设计，找到一条从起始状态到达目标状态最优路线。路径规划的好坏，会影响到机械臂工作，甚至会使得机械臂无法完成期望的运动，如果关节变量的加速度在定义方案中发生改变，就会形成冲击。若机械臂频率较低时将产生振动。在现实当中，我们可以看到的机械臂在启动和停止时一般会进行抖动，那么这样的现象就是前面所说的情况^[1]。

1.1.2研究意义

（1）机械臂应用相对的广泛，是生产制造行业中的最高端，也是最实用的技术。机器人手臂的是工业机器人的一部分。一般分为两类机器人，第一类示教可再现机器人是可以用编程技术来设计所需要完成的工作，效率高，低消耗，并且附带人和机器一些的优点，特别是继承了人的智能和适应能力。第二类感觉机器人是通过传感器反馈的信息进行相应的动作。机械臂工作准确并且可以在各种人类所不能及的地方工作，具有非常大的劳动优势。随之机械臂形态的产品深入到人们的生活，大大改善了人们的生活质量^[2]。 

（2）机械手是在机械化，自动化生产的代表生产设备。就目前的生产技术，机械手越来越受到生产商的青睐，它代表新兴的制造技术，它的发展直接影响到制造业的前景，是机械化和自动化的结合体^[3]。

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