基于MATLAB/Robotics Toolbox的PUMA560機械臂仿真研究

王娜

【摘 要】本文采用標準D-H法對六自由度關節機器人的機構和運動學進行分析，推導出正逆運動學變換公式。在此基礎上，本文運用Matlab機器人工具箱對機器人系統進行了運動仿真，研究了機器人在作業過程中的主要運動學指標的變化情況，十分直觀地反映出機器人這一非線性耦合結構中各桿件和末端工作部分的運動狀態，為機器人的具體研制、控制策略提供了理論依據。

【關鍵詞】PUMA560機械臂；運動學；動力學；仿真

1 PUMA560簡介

對機器人進行圖形仿真，可以直觀顯示出機器人的運動情況，得到從數據曲線中難以分析出來的許多重要信息，并能從圖形上看到機器人在一定控制條件下的運動規律。從仿真軟件中觀察機器人工作程序的運行結果，就能分析出該機器人軌跡規劃等的正確性和合理性，從而為離線編程提供有效的驗證手段。

PUMA560 機械臂是一種示教機器人。有六個自由度，包括6個旋轉關節，模仿人的腰、肩、肘和手腕運動，能以規定的姿態到達工作范圍內的任何一個點。包括：臂體、控制器和示教器三個部分。它的外觀圖如圖1 所示。

2 PUMA560的空間坐標系建立

PUMA560一般由移動關節和轉動關節共同作用，組成機器人的操作臂，每個關節都有一個自由度。在六自由度下，我們規定連桿0表示基座，關節1讓基座0與連桿1相接，關節2讓連桿1與連桿2相連接，以此類推。如圖2所示。

3 確定D-H坐標系

PUMA560的6個關節全為轉動關節如下：

Xi軸：沿著Zi和Zi-1的公法線，指向離開Zi-1軸的方向；

Yi軸：按右手直角坐標系法則制定；

Zi軸：沿著i+1關節的運動軸；

兩連桿距di：Xi和Xi1兩坐標軸的公法線距離；

兩桿夾角θi：Xi和Xi1兩坐標軸的夾角；

連桿長度ai：Zi和Zi-1兩軸心線的公法線長度；

連桿扭角αi：Zi和Zi-1兩軸心線的夾角；

所以相鄰坐標系i和i-l的D-H變換矩陣為：

6 結論

本文利用 MATLAB Robotics Toolbox 建立了PUMA560機器人的三維模型，分析了它的正運動學、逆運動學和軌跡規劃問題，驗證了仿真的合理性。

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