文档介绍：青岛科技大学研究生学位论文
串联六自由度机器人运动仿真与控制系统仿真研究
摘要
随着企业用工成本的不断提高，在人力资源越来越紧张的环境下，如何降低生
产成本，提高生产效率，提高企业竞争力逐渐成为了各个企业所关心的问题。制造
业也是如此，工业机器人以其高效率、高精度、少人化或无人化等优点渐渐占据各
个企业的生产现场，成为企业提高市场竞争力的重要手段。
机器人系统从控制的观点来看，是一个复杂的动态藕合系统，该数学模型的复
杂性和非线性是很明显的。相比于传统的机器人设计方法，需要先制作出物理样机，
然后再对它的性能进行反复测试比较，然后才能加以改进。这样做不仅是难以有效
地提高机器人的性能，而且还会花费大量的资源，人力和时间。而利用虚拟样机技
术来研究和开发机器人，在计算机中对它的参数化模型进行运动学、动力学和控制
系统的仿真，并可以方便且直观地观察并分析出机器人的虚拟模型的优劣，进而对
它们的性能进行分析和改进。这样便找到了一条更为简单的提高机器人的开发效率，
降低研发成本的道路。
本文主要对于串联六自由度机器人（以 HA006 型工业机器人为例）的运动学进
行了仿真和控制系统进行了仿真研究。对于 HA006 型机器人，讨论了机器人的位置
和姿态表示方法。采用四参数的方法，利用齐次变换矩阵，构建了 HA006 型机器人
的运动学方程。研究了该机器人的运动学正解和反解，并分析求解了它的雅可比矩
阵，并对机器人的动力学方程和可达空间进行了初步研究。
在计算机中，观察并分析 HA006 型工业机器人的虚拟模型，进而对它的性能进
行分析和改进。可以清楚地判定机器人运动方案是合理的，通过图像，看到所设计
的轨迹规划和控制算法的可行性，这使得工业机器人的设计效率得到了极大的提高。
简单介绍了基于 MATLAB 软件平台的 Robotics Toolbox 机器人工具箱的特点。
并且在这个工具箱的平台下，完成了对于 HA006 型工业机器人的模型的构建，并对
它进行了运动学正逆解的仿真计算。
针对串联机器人（以 HA006 型工业机器人为例）运动的轨迹进行规划。首先，
利用 Solidworks 软件平台建立起机器人的实体的模型，然后再以运动系统的推导公
式为依据，利用 MATLAB 平台的机器人工具箱进行了模拟仿真和分析，显示出运动过
程的实时情况，在这一过程中得到了许多有用的曲线的参数数据，为了控制系统设
计的条件，达到良好的要求创造了条件。
I
串联六自由度机器人运动仿真与控制系统仿真研究
介绍了应用 ADAMS 仿真软件，并且以 HA006 型机器人为例，对机器人运动学和
动力学进行分析。由于 ADAMS 软件较难建立精确、复杂的实体三维模型，而这往往
可以影响到仿真分析的准确性。因此，为了可以比 ADAMS 软件更为准确形象地建立
起机器人模型，可以利用 Solidworks 平台来建立 HA006 型工业机器人的模型。并把
它导入到 ADAMS 平台中完成对它的特性的修改，并用 ADAMS 平台作了一个较为简单
的运动学仿真分析。
使用了 ADAMS 和 MATLAB 这两个软件，对 HA006 型机器人的联合控制系统进行了
仿真。计算分析功能强大的 MATLAB 软件，能够迅速和容易地建立一个控制系统的模
型。这两个软件的联合使用，可以把机器人的机械部分和控制部分的仿真结合起来，
实现了较为真实的工业机器人的联合仿真控制系统。以 MATLAB 与 ADAMS 技术相结
合的机器人控制系统建模与仿真的方法，具有质量好、效率高、实时性和可视性好
等特点。此方法也可以应用到其它复杂机械系统的虚拟仿真当中，对提高产品设计
性能、降低设计成本、减少产品开发时间具有重要的意义。
关键词：工业机器人运动学轨迹