基于MATLABRoboticsToolbox的可重构模块化机器人运动仿真分析
作者：卢佳佳
来源：《阜阳职业技术学院学报》2019年第02期
模块化机器人的仿真模型，设计各关节的运动角度，模拟机器人的末端手爪运动轨迹以及每个
关节的角位移、角速度、角加速度随时间变化曲线。
检验机器人运动性能，为后续的动力学和控制研究奠定基础。
关键词：可重构模块化机器人;Robotics Toolbox;轨迹规划;变化曲线
中图分类号：TP242;;;;;;;;; 文献标识码：A;;;;;;;;;; 文章编号：1672-4437（2019）02-0057-04
在Matlab软件中使用Robotics Toolbox[1-2]对机器人进行仿真研究目前已十分普遍。
谢斌、蔡自兴[3]运用Robotics Toolbox对puma560型机器人进行了仿真实验教学，左富勇、刘长柱[4-5]等人对SCARA机器人进行了轨迹规划与仿真研究;王林军，陆佳皓[6-7]等人对六轴关节机器人进行了运动仿真研究，周际[8]对双臂工业机器人进行了运动仿真分析。
以上研究都是针对某种特定类型的机器人，相比而言，可重构模块化机器人具有更加丰富的构型。
本文以EV-MRobot机器人基本构件为基础，针对其某一构型进行运动学仿真分析。
1 EV-MRobot模块化机器人运动学
1.1 EV-MRobot模块化机器人结构参数
本文以EV-MRobot系列模块化机器人为研究对象，其模块库包含四种运动单元模块，分别为：
93旋转模块、85旋转模块、手爪模块以及两自由度云台模块。
还包含有不同尺寸的连接件，如直角连杆和圆柱连杆等。
这些单元模块通过连杆进行组合，可形成适用于不同工作任务的各种构型。
本文以由85旋转模块、手爪模塊、两自由度云台模块以及相关连接件组成的四自由度模块化机器人为研究对象，其结构组合如图1，连杆参数和关节变量见表1。
1.2 机器人正运动问题分析
1.3 机器人逆运动问题分析
机器人的逆运动学分析就是使末端执行器达到期望位姿时各关节的角度值。
求逆解的方法可以分为两大类：封闭解法和数值解法[9]。
封闭解法又可分为几何法和代数法。
本文将采用代数法，在机器人正运动学方程的两端乘以逆矩阵分离变量，逐步求解各关节变量的值，通过设定约束条件以及考虑结构的合理性来选择最佳解。
2 建模与仿真
2.1 机器人数学建模
2.2 机器人运动仿真
设定机器人各关节的初始角度为，终止关节角度为，且载初始和终止位置的速度均为0。
相关程序如下：
2.3 机器人仿真分析
通过仿真，可以观察到模块化机器人运动过程中末端运动轨迹曲线平滑连续，各关节的运动均平稳正常。
位移曲线平滑，角速度、角加速度运动曲线变化连续平缓且初始值和终止值均为0，运动过程中没有出现突变的现象，这些结果说明模块化机器人的结构设计合理，动力分配均衡，在运动过程中不会产生抖动等现象。
本文以EV-MRobot系列四自由度模块化机器人为研究对象，借助MATLAB Robotics Toolbox工具箱，通过编写相关程序，完成了四自由度模块化机器人的数学建模，并通过工具箱中的关节驱动函数，模拟了机器人四个关节的运动效果;通过设定初始关节角和终止关节角，对机器人移动轨迹进行了仿真，分析了各关节角位移，角速度和角加速度随时间变化的曲线，验证了机器人相关设计参数的合理性。
通过调用MATLAB Robotics Toolbox工具箱里的函数能够十分方便地进行相关机器人的仿真与分析研究，此次运动仿真分析也为后续的模块化机器人运动控制研究打下了良好基础。
参考文献：
[1]Corke P.A Robotics Toolbox for MATLAB[J].IEEE Robotics and Automation Magazine，1996，3（1）：24-32.
[2]Corke P.A Computer Tool for Simulation and Analysis： the Robotics Toolbox for MATLAB[C]//Proc.National Conf.Australian Robot Association，2000：319-330.
[3]谢斌，蔡自兴.基于MATLAB Robotics Toolbox的机器人学仿真实验教学[J].计算机教育，2010（19）：140-143.
[4]左富勇，胡小平，谢珂，等.基于 MATLAB Robotics 工具箱的 SCARA 机器人轨迹规划与仿真[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2012，27（2）：41-44.
[5]刘长柱，曹岩，贾峰，等.基于MATLAB Robotics的SCARA机器人运动学分析及轨迹规划[J].机电工程技术，2018（4）：111-115.
[6]王林军，邓煜，罗彬，等.基于 MATLAB Robotics Toolbox的ABB IRB1660机器人运动仿真研究[J].中国农机化学报，2017，38（01）：102-106.
[7]陆佳皓，平雪良，李朝阳.基于MATLAB Robotic Toolbox的关节型机器人运动仿真研究]J].机床与液压，2017，45（13）：60-62.
[8]王智兴，樊文欣，张保成，等.基于Matlab的工业机器人运动学分析与仿真[J].机电工程，2012，29（1）：34-37.
[9]蔡自兴，谢斌.机器人学[M].3版.北京：清华大学出版社，2018.。