摘 要

本文借助MATLAB软件中的Robotic Toolbox工具箱对六自由度机械臂进行运动仿真和仿真分析。首先利用Robotic Toolbox工具箱强大的运算能力和较强的图像能力，根据改进D-H表示法，对UR5机械臂进行运动学建模，并在图表中显现成机器人连杆模型，然后处理由视觉识别技术传递出物体位姿信息，利用机器人逆运动学算法，得到六自由度各关节所要求达到的角度信息，最后结合机械臂的轨迹规划函数，完成机械臂抓取目标物体的仿真。机械臂在运动仿真过程中的位置、速度、加速度的平稳程度和形式也不相同，利用MATLAB相关函数可以得到位置、速度、加速度的图像，便于分析仿真过程是否达到实际要求。

Robotic Toolbox的图像显示功能只能通过关节和连杆来展示机械臂图像，为了弥补这种缺陷，本文还利用了V-REP软件和MATLAB联合仿真的方法。V-REP具有强大的物理引擎和真实的仿真能力，可以通过R emote API和MATLAB相结合，根据机器人运动学，完成UR5机器人在虚拟环境中夹取目标物体的运动仿真。

关键词：Robotic Toolbox；UR5；运动仿真；V-REP；轨迹规划；

Abstract

This paper uses the Robotic Toolbox toolbox in MATLAB software to simulate and simulate the six-degree-of-freedom manipulator. Firstly, using the powerful computing power and strong image capability of the Robotic Toolbox,the UR5 robotic arm is kinematically modeled according to the standard DH parameter table, and it is displayed as a robot linkage model in the chart, and then processed by visual recognition technology. The object pose information is transmitted, and the inverse kinematics algorithm of the robot is used to obtain the angle information required by the joints of six degrees of freedom. Finally, the trajectory planning of the entire grab motion of the robot arm is performed, and use the ctraj and jtraj functions that come with the toolbox for comparative analysis.By using different planning methods, the position, velocity and acceleration of the robot arm in the motion simulation process are different. The position, velocity and acceleration images can be obtained by using the MATLAB correlation function, which is convenient for analyzing whether the simulation process is practical.

The image display function of Robotic Toolbox can only display the image of the arm through joints and connecting rods. To compensate for this defect, this paper also uses the V-REP software and MATLAB co-simulation method. V-REP has a powerful physics engine and real simulation capabilities. It can be combined with Remote API and MATLAB to complete the motion simulation of UR5 robots in the virtual environment.

Key Words：Robotic Toolbox;UR5;Motion Simulation;V-REP;Trajectory planning;

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 仿真技术简介 1

1.1.2 国外发展现状 1

1.1.3 国内发展现状 2

1.1.4 研究意义 3

1.2 研究内容 3

第2章 系统架构设计与需求分析 4

2.1 架构设计图 4

2.2 需求分析 5

第3章 机器人运动学 6

3.1 空间位姿表示 6

3.1.1 空间向量位置表示 6

3.1.2 坐标系在参考坐标系中的表示 7

3.1.3 刚体的位姿表示 8

3.2 D-H表示法 9

3.2.1 D-H表示法简介 9

3.2.2 变换矩阵的表示 10

3.3机器人正运动学 10

3.3.1 机器人构型 10

3.3.2 建立正运动学模型 11

3.4 机器人逆运动学 12

3.4.1 运动参数确定 12

3.4.2 建立逆运动学方程 13

3.4.3 逆运动方程的求解 16

3.4.4 奇异点分析 19

3.5 运动学验证 20

3.5.1 正运动学验证 20

3.5.2 逆运动学验证 22

第4章 轨迹规划和最优解选取 25

4.1 轨迹规划 25

4.1.1 三次多项式插补 25

4.1.2 五次多项式插补 26

4.2 最优解选取 28

第5章 运动仿真和分析 30

5.1 基于Robotic Toolbox的仿真 30

5.1.1 仿真过程程序编写 30

5.1.2 仿真过程分析 31

5.2 基于V-REP和MATLAB的联合仿真 34

5.2.1 V-REP介绍 34

5.2.2 机器人建模 35

5.2.3 Remote API 37

5.2.4 仿真过程程序编写 38

5.2.5 仿真过程分析 39

第6章 工作总结和展望 42

6.1 工作总结 42

6.2 工作展望 43

参考文献 44

致 谢 45

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 仿真技术简介

仿真技术( Simulation Technology )是基于相似原理、信息技术、系统技术和相关专业技术的综合技术。它使用计算机和各种物理组件设备作为工具，并利用虚拟模型对实际或想象的模型进行实验研究。计算机运动仿真是仿真技术的一个重要分支，它综合了人机界面技术、计算机技术等关键技术。作为一种高新技术，它逐步成为工程技术领域计算机应用的一个重要方向。

运动仿真技术研究始于上世纪七十年代末，在八十年代后期，仿真技术在许多方面得到了迅速的发展，诸多技术得到重大转变。之前，运动仿真的主要研究对象是整个系统，而现在不断地向单个离散系统发展，仿真技术也由以实验为基础转换成在虚拟环境下的结果分析为主要基础。仿真技术的应用领域随着技术不断发展也发生了改变，之前主要应用于军工企业，例如航空航天，现在逐步应用在民用制造业中，并由产品运动学和动力学分析、加工装配过程发展到规划整个制造系统^[1]。

运动仿真常常可以采用VB、3Dmax、VC、OpenGL等大众化语言编程来完成，也可以通过ADMAS、Pro/E、EUCLID、UG、Solidworks、SolidEdge等设计相关方面的仿真软件来完成。机器人运动仿真可以通过MATLAB中Robotic Toolbox插件来实现；外国有关机器人仿真常用的有V-REP、Open HRP、Gazebo、Webots等软件。

1.1.2 国外发展现状

随着计算机技术的发展，计算机仿真技术受到世界许多研究所和企业的重视，基于它在研发设计中具有巨大的潜力，国内外研究逐步取得了显著的成果：

1. 西佛罗里达州大学（University of West Florida）的PLMA560^[2]

在西佛罗里达大学的早期研究中，利用Denavit-Hartenberg（D-H）理论建立了五自由度和六自由度仿真机器人的运动模型。其中，六自由度仿真机器人是国内许多高校加以研发的PUMA 560机器人。

1. 瑞典ABB公司开发的Robot Studio

ABB公司利用机器人工作室通过虚拟机器人技术实现离线编程。借助机器人工作室和离线编程技术，机器人编程可以脱离工厂现场完成，而不会中断机器人生产过程^[3]。机器人程序可以预先准备，届时提高整体生产效率。因此，利用机器人工作室可以离线编写程序和配置相关文件来控制车间中实际生产中的机器人^[4]。