基于LabVIEW的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

機(jī)器人是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)和通信等多個(gè)學(xué)科的高新技術(shù)的綜合集成，機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，并且機(jī)器人的智能化也越來(lái)越高。在國(guó)外，日本、德國(guó)和美國(guó)等國(guó)家在機(jī)器人領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。日本具有國(guó)際上最先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，不論在技術(shù)還是市場(chǎng)應(yīng)用上，日本都走在前列；德國(guó)和美國(guó)仿生機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域也處于國(guó)際前列。

我國(guó)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)雖然起步晚，但在“七五”、“八五”和“九五”機(jī)器人技術(shù)國(guó)家攻關(guān)，以及“863”高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)支持下，我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)也取得了重大進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)的一些高校，如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)都取得了一些成績(jī)。在進(jìn)行機(jī)器人研究時(shí)，仿真是一個(gè)重要的研究方法，大部分研究者以MATLAB作為平臺(tái)仿真機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

近幾年，LabVIEW技術(shù)逐漸引入機(jī)器人研究中［5-7］。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器公司研制開發(fā)，LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。 LabVIEW軟件是虛擬儀器設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，其提供的機(jī)器人模塊是機(jī)器人設(shè)計(jì)的理想工具。

Puma560機(jī)器人理論

本論文在LabVIEW環(huán)境下，利用機(jī)器人模塊對(duì)Puma560機(jī)器人建模，通過(guò)仿真研究機(jī)器人的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。

機(jī)器人介紹

Puma560機(jī)器人是六自由度串聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，由六自由度旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成，機(jī)器人坐標(biāo)圖如圖1所示。

圖1中，Xi坐標(biāo)軸為沿著Zi和Zi-1的公法線，指向離開Zi-1軸的方向；Yi坐標(biāo)軸是按照右手直角坐標(biāo)系法則制定的；Zi坐標(biāo)軸為沿著i+1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軸；Zi和Zi-1兩軸心線的公法線長(zhǎng)度為ai；Zi和Zi-1兩軸心線的夾角為αi；Xi和Xi-1兩坐標(biāo)軸的公法線長(zhǎng)度為di；Xi和Xi-1兩坐標(biāo)軸的夾角為θi。

運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人位置結(jié)構(gòu)和姿態(tài)結(jié)構(gòu)末端執(zhí)行器的位置矢量和姿態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣，通過(guò)D-H齊次變換得到兩桿間的位姿矩陣：

式（1）中，sθi=sinθi，cθi=cosθi，sαi-1=sin αi-1，cαi-1=cosαi-1。

所以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

那Puma560機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解為：

圖1　Puma560機(jī)器人坐標(biāo)圖

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解就是已知末端連桿的位置和方位，求得機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)變量，對(duì)于Puma560機(jī)器人，就是求解變量θ1<θ6。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃主要研究控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)器人按照規(guī)定的路徑運(yùn)動(dòng)，通常對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)按照聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行關(guān)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的內(nèi)容主要包含關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡的選擇和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)位置的插值。

圖2　生成機(jī)器人程序圖

圖3　運(yùn)動(dòng)學(xué)正解程序圖

圖4　運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解程序圖

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真

首先需要構(gòu)建機(jī)器人，依據(jù)前面的理論知識(shí)，利用LabVIEW提供的機(jī)器人模塊的Acquire Kinematicsarameters和Generate Arm Kinematic Model子模塊生成Puma560機(jī)器人，程序圖如圖2所示。

利用LabVIEW提供的機(jī)器人模塊的Forward Kinematics子模塊進(jìn)行Puma560機(jī)器人運(yùn)動(dòng)正解分析，程序圖如圖3所示。

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，需要給出位姿的末端位置，通過(guò)子模塊Posture to Transform、Analytical Inverse Kinematics和Joint Trajectory實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，程序圖如圖4所示。

結(jié)語(yǔ)

本論文以Puma560機(jī)器人為機(jī)器人原型，利用LabVIEW提供的機(jī)器人模塊，編寫程序?qū)崿F(xiàn)了機(jī)器人模型的建立和運(yùn)動(dòng)學(xué)解析。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，說(shuō)明LabVIEW是機(jī)器人研究的有力工具，可以提高機(jī)器人設(shè)計(jì)的效率。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.010