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1、二自由度机器人角度控制仿真摘 要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。本次设计主要是对二自由度机器人的位置控制进行设计和仿真，采用了PD控制方法，运用MATLAB语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模型、动力学模型。并构建控制器的模型，通过调整控制器参数，对二自由度机器人的位姿进行控制，并将实验中采集到数据导入到MATLAB环境中进行仿真，达到较好的控制效果。关键词：PD，运动学，二自由度
2、机器人Two degrees of freedom robot Angle control simulationABSTRACTOver the past twenty years, robot technology is developing very rapidly, various USES of robots in all fields widely. In research and application of robot in our country, there is still a gap compared with industrialized countries, so t
3、he research and design all kinds of robots, especially industrial robot, the promotion of the use of robots has a realistic significance.This design is mainly for two degrees of freedom Robot position control design and simulation, the PD control method is adopted, using the MATLAB language, the Sim
4、ulink and Robot kit, two degrees of freedom Robot geometry model, the dynamic model. And build the model of the controller, by adjusting the controller parameters, to control two degrees of freedom robot pose, and the experiment collected data imported to MATLAB simulation environment, achieve good
5、control effect.KEY WORDS: PD，motion control，2-DOF parallel robot目录前言1第1章 绪论21.1 研究背景21.2 选题的意义2第2章 机器人运动学及动力学42.1 运动学概述42.2 机械手42.2.1 机器手的机构和运动42.2.2 运动学及动力学关系62.3 动力学概述72.4惯性矩分析82.5拉格朗日运动学方程9第3章 机器人运动控制系统133.1 概述133.1.1 机器人控制特点133.1.2 机器人控制方式143.2 PD控制器14第4章 MATLAB软件164.1 MATLAB简介164.2 MATLAB的优势174
6、.3 SIMULINK仿真以及ROBOT TOOLBOOX19第5章 动态仿真215.1 机器人模拟参数215.2 机器人运动学模型225.3 机器人动力学模型235.4 动力学与运动学模型联立24结论28谢 辞29参考文献30外文资料翻译32前言机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪70年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领
7、域。机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。 第1章 绪论1.1 研究背景机器人是一种能够进行编程，并在自动控制下执行某种操作或移动作业任务的机械装置。机器人技术综合了机械工程、电子工程、计算机技术、自动控制及人工智能等多种科学的最新研究成果，是机电一体化技术的典型代表，是当代科技发展最活
8、跃的领域。机器人的研究、制造和应用正受到越来越多的国家的重视。近十几年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。我国是从 20 世纪80 年代开始涉足机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划。1987 年，我国的“863”计划将机器人方面的研究列入其中。目前，我国从事机器人的应用开发的主要是高校和有关科研院所。最初我国在机器人技术方面的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后，我国在机器人技术及其应用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈尔滨工业大学研制的两足步行机器人，自动化研究所1993 年研制的喷涂机器人，1995 年完成的高压水切
9、割机器人，国家开放实验和研究单位沈阳自动化研究所研制的有缆深潜300m 机器人，无缆深潜机器人，遥控移动作业机器人，2000 年国防科技大学研制的两足类人机器人，北京航空航天大学研制的三指灵巧手，华南理工大学研制的点焊、弧焊机器人，以及各种机器人装配系统等。我国目前拥有机器人 4000 台左右，主要在工业发达地区应用，而全世界应用机器人数量为83 万台，其中主要集中在美国、日本等工业发达国家。在机器人研究方面，我国与发达国家还有一定差距。1.2 选题的意义在机器人研究方面，二自由度机器人的研究已比较深入和成熟应用，二自由度机器人的自由度较少，属于少自由度机器人的范畴1，其结构更加简单，经济便宜
10、，而且运动封闭，运动容易实现解耦；而且其运动平台可以只在一个平面上做纯移动，这样易于实现机器人运动控制。因此少自由度机器人是国际上机器入学研究的热点之一，而少自由度机器人中的二自由度机器人机构更是受到了关注。南京航空航天大学的熊启家和吴洪涛提出了一类新型平面二自由度机构2，可用作二自由度平面运动的工作台，他们分析了这种机构运动学的正反解，获得了该机构动力学模型。然后基于该动力学模型，对机构的反向动力学进行仿真计算分析，从而获得了运动状态下机构驱动电机的驱动力和各构件的受力情况，由此为该机构的设计及具体应用奠定了坚实的基础。王启明和汪劲松也对二自由度的机器人操作臂进行了运动学和动力学建模和仿真3
11、，北京工业大学的刘善增对平面二自由度机器人做了动力学设计4。XinJum Liu不但对二自由度机器人的运动学和动力学做了分析，而且还对二自由度并机器人的型综合做了探讨5；虽然国内外的专家和学者都为少自由度并联机器人的研究做出了努力，但在下列几个方向上的研究还需要更进一步：1）加强对少自由度机器人机构的型综合问题的研究，这样才能寻求结构更加合理、适合不同用途的机构，使机构的运动学和动力学模型变得简单。2）加强对少自由度机器人控制理论、控制系统，要设计出一套相应的少自由度机器人的运动控制系统，能够对机器人的运动轨迹、位置定位进行精确控制，并且能根据其运动轨迹编写出相应的运动控制算法。第2章 机器人
12、运动学及动力学2.1运动学概述机器人手臂运动学研究的是手臂各连杆间的位移关系、速度关系和加速度关系，本章只讨论位移关系。机器人手臂可以看作为一个开式运动链，它是由一系列连杆通过转动或移动关节串联而成的。开链的一端固定在基座上，另一端是自由的，安装着手爪（或称末端执行器），用以操作物体，完成各种作业。关节由驱动器驱动，关节的相对运动导致连杆的运动，使手爪到达所需的位姿。在轨迹规划时，人们最感兴趣的是操作臂末端执行器相对于固定参考系的空间描述。运动学包括正运动学和逆运动学。正运动学是已知各关节的角度来确定末端执行器的位置和姿态：而逆运动学是由末端执行器的位置和姿态来反求达到此位姿的各关节的角度。运
13、动学求解主要有两种方法，第一种是基于Denavit和Hartenberg提出一种通用的方法（DH法），在每个连杆上固接一个坐标系，两连杆的空间关系，从而推导出“手爪坐标系”相对于“参考系”的等价齐次变换短阵，建立操作臂的运动方程。第二种是基于旋量理论的指数积（ProductofExponentialmPOE）公式砼1将机器人的运动学方程表示成运动旋量的指数积形式，从而构造与关节构型无关的运动学正、逆解形式。而本章将采用D-H法建立机器人的运动学方程。2.2 机械手2.2.1 机器手的机构和运动进行机械手的机构设计和控制时，在正确定义机械手的机构后，需要恰当地表现机构的运动。图2-1表示的上述二
14、自由度机械手的连杆机构。由于机械手的运动主要由连杆机构来决定，所以大多数场合是把称为驱动器的执行元件及减速器去掉后来进行分析。驱动器可以根据需要添加上去。图2-1 二自由度机械手的连杆机构图2-1中的连杆机构是带有垂直纸面回转关节的关节结构，通过确定连杆长度L1、L2，以及关节角1、2，可以定义连杆机构。在这个例子中采用了回转关节（revolute,joint）,但有的场合也可以采用进行直线动作的棱柱形关节（prismatic,joint）。表示关节位置一般称为关节变量（joint，val-uable）。在处理机械手的运动时，若把作业方式主要依靠手爪来实现的，则应考虑手爪的位置（图中的点P的位
15、置）。在下面章节所讲述的一般场合中，手抓姿势也可表示手的位置。从几何学的观点来处理这个手爪位置与关节变量的关系称之为运动学（kinematics）。下面我们引入向量分别表示手爪位置r、关节变量来介绍一下图2-1的二自由度机械手的运动学。手爪位置的各分量，按几何可表示为 （2-1） （2-2）这个关系可用向量表示，一般可表示为： （2-3）式中f表示向量函数。这样，从关节变量求手爪位置称之为正运动学（forward kinematics）.式（2-3）称为运动学方程式。反之，从给定的手爪位置求关节变量称之为逆运动学（inverse kinematics）,具体地由图2-2的分析可得下面的公式：图2-2 二自由度机械手的逆运动学 （2-4） （2-5） （2-6）式（2-4）（2-6）若用式（2-3）同样的向量表示法表示，则可表示为：=f（r） （2-7）上述的正运动学和逆运动学称为运动学。把式（2-
