基于ADAMS的协作机械臂运动学分析与仿真

本文以UR5协作机械臂为研究对象，采用标准D-H建模方法建立了机械臂的运动学模型，采用解析的方法，推导了其正、逆运动学求解表达式。针对机械臂逆运动学多解问题分析了在不同的选解标准下得到的逆解，最后通过5次多项式完成了对逆解在角度空间的规划并且在ADAMS环境中进行了运动仿真，测量机械臂末端执行器的运动轨迹和速度结果表明运动状态平稳且速度连续无突变，从而验证了方法的可行性。

随着德国“工业4.0”的到来以及我国推出“中国制造2025”的不断深入发展[1]，机器人在多种场合被广泛的应用。其中六自由度协作机器人由于具有轻巧灵活，体积较小运动精度高以及成本较低等优点相较于传统机器人具有更多的优势。

但是在实际的生产中机器人的运动特性直接关乎生产效率和质量， 因此对协作机器人运动学及动力学分析是不可或缺的关键过程[2] [3]。

目前国内外众多学者针对协作机器人进行了大量研究工作[4] [5]。

陈赛旋用解析的方式分析了六自由度协作机器人正、逆运动学封闭解，并且对机器人奇异位形进行了识别[6]。李海旺等人考虑了机器人的几何参数误差对末端绝对定位精度的影响，提出了一种协作机器人运动学标定方法，使得标定后的机器人定位精度相较于之前有显著提高[7]。

肖志华[8]等人对六自由度工业机械臂的逆运动学解做了详细的求解算法推导，并且分析了逆解的数学特性。林阳等对于结构不符合Pieper 准则的一般机器人，将遗传算法应用于逆运动学求解当中，提出了适用于一般机器人的求解算法，提高了一般机器人求逆解的速度[9]。

本文以UR5 协作机器人为研究对象， 首先通过D-H 法建立了机器人运动学模型， 之后对机械臂正逆运动学求解。对于求解逆运动学时出现的多解问题以“最短路径”的原则得到了最终的关节角。最后将计算的结果导入ADAMS 仿真平台，验证了求解结果的正确性。

2. 机器人运动学分析 2.1. 机器人正向运动学 根据所建立的运动学模型以及机械臂结构本身的结构参数，表1 给出了UR5 机械臂的D-H 参数。

Table 1. UR5 standard D-H parameters 表1. UR5 标准D-H 参数 kinematics iq (rad) ia (m) id (m) iα (rad) Joint1 1q 0 1d π/2 Joint2 2q 2a 0 0 Joint3 3q 3a 0 0 Joint4 4q 0 4d π/2 Joint5 5q 0 5d −π/2 Joint6 6q 0 6d 0 本文以UR5 协作机器人为研究对象，根据D-H 建模法建立机器人运动学模型，如图1 所示。