基于MATLAB的ABB IRB1600 机器人运动学仿真

2019-09-12王沐雨吴国新

设备管理与维修 2019年9期

王沐雨，黄民，吴国新

（北京信息科技大学，北京 100192）

0 引言

随着工业技术的发展，单纯的手工劳动早已不能满足现代社会的基本需求，工业机器人应运而生，大大提高了生产效率，是智能化社会发展的重要一步。瑞典的ABB 公司有巨大的影响力，是目前世界上工业机器人四大巨头之一。

在工业机器人依旧昂贵的市场背景下，盲目安装可能会导致人力物力的浪费。随着计算机智能设备的发展，计算机虚拟仿真模拟技术也愈渐成熟。研究人员通过在计算机上建立工业机器人的仿真模型，使其具有与真实机器人类似的物理功能。例如MATLAB中的Robotics Toolbox（机器人工具箱），它包括了种类众多的功能函数，可以对工业机器人进行运动学仿真，这大大减少了资源浪费。

1 ABB IRB1600 机器人基本结构

ABB IRB1600 是ABB 公司旗下的一款六自由度的串联型机器人，它具有广泛的应用，在码垛、测量等领域都有优越的表现（图1、表1）。

图1 ABB IRB1600 机器人实物

表1 ABB IRB1600 机器人工作参数

2 使用改进D—H 方法的MATLAB 建模

图2 所示为在ABB 公司旗下的软件RobotStudio 中仿真的ABB IRB1600 机器人。

可以由机器人的改进的D—H 参数，利用机器人工具箱的Link 函数实现串联机器人的建模。改进的D—H 参数来源于D—H 方法，D—H 方法是由Denavit 和Hartenberg[2]提出，本质为关节链中的每一个杆件都构建坐标系的矩阵方法，其采用4*4的其次坐标变换矩阵来描述机器人相邻两杆i 和i-1 的空间几何关系，D—H 参数建模是常见的建模方式。本文采用改进的D—H 方法，与D—H 方法不同的是它是在远离底座的结构处建立坐标系。ABB IRB1660 机器人的改进的D—H 参数见表2。

其中，θi为连杆转角，即为两条公垂线ai-1和ai间的夹角；di为连杆距离，即为两条公垂线ai-1和ai间的距离；为连杆长度，即为i-1 与i 两关节轴线间的公垂线长度；∂i-1为连杆扭角，即为i-1 与i 两关节轴线间的公垂线长度。

连杆坐标系的建立标准如下：Zi-1轴沿关节i-1 的轴线方向，Xi-1沿公垂线ai-1且指向Zi轴方向，Yi-1满足右手定则。

图2 RobotStudio ABB IRB1600 机器人仿真图

表2 ABB IRB1600 机器人改进的D—H 参数

通过表2，可以在MATLAB 中利用Link 函数对IRB1660 机器人进行建模，代码为：

可观察其如下位姿（图3）：

图3 MATLAB 中某位姿结果

3 机器人正、逆运动学仿真

3.1 正运动学仿真

假设6 个关节转角分别为（pi/6 pi/5 pi/4 pi/3 pi/3 pi），使用功能函数Fkine 编程如下：

G 即为机器人在关节转角为q 时的末端位姿，计算结果如下：

3.2 逆运动学仿真

假设已知ABB IRB1600 机器人末端执行器的空间位姿为G，反求各个关节的转动角度，使用功能函数ikin[1]编程如下：

N=ikine（robot，G）

N 即为机器人达到位姿G 时的一个转角结果，计算结果如下：

将此结果N 与正运动学时输入的转角q 一起仿真出来，可以发现他们两个是完全相同的位姿，由此可知机器人建模正确并且正、逆运动学分析正确（图4）。

图4 正向和逆向运动学转角仿真比较

4 机器人轨迹规划及其仿真

轨迹规划方法是对机器人在运动状态下的位移、角速度及角加速度进行规划，得到其运动曲线并观察其具体运动状态。本文选用的是关节空间轨迹规划法，在空间中选取任意两点，调用MATLAB 的机器人工具箱中的jtraj 函数进行机器人的关节空间轨迹规划。设关节空间中任意两点间对应的的关节转角为theta1=[0 0 0 0 0 0]（即θ1）、theta2=[pi/2 0-pi/2 0 0 0]（即θ2），运动采样时间间隔为0.1 s，仿真时间为5 s，并用密集的黑色的‘o’型表现出来（图5）。代码如下：