1.1研究目的及意义

自1959年世界上第一台机器人诞生以来，机器人相关产品被应用于工业生产、军事发展、科学探索和社会生活等多个领域，为人类社会发展起到重要作用。20世纪中期，由于计算机和人工智能的高速发展，人们开始对机器人进行深入研究，机器人的功能和应用范围得到很大的扩展。随着机器人应用的日益广泛，机器人在很多场合已经取代了人类，如配装生产线上的配装机器人、焊接机器人、喷漆机器人、空间站上的维护机器人等等。无论是在工业还是在家庭服务行业，机器人都扮演着不可或缺的角色。

机器人的运动特性是进行机器人技术研究的前提，是机器人运动控制的基础，因此机器人的运动特性分析就成为机器人研究及机器人应用的重要内容。通过使用仿真软件，利用计算机可视化和面向对象的手段在虚拟环境中模拟机器人的运动，可以帮助我们了解机器人工作空间的范围及形态，揭示机构的合理运动方案和控制算法，使我们直接看到设计效果，及时找出缺点和不足，并进行改进。从而可以解决在机器人设计、制造和运行过程中出现的问题，避免直接操作实体可能造成的事故和不必要的损失。同时，在仿真软件中观察运行结果，分析检验轨迹规划和作业规划的正确性和合理性，也可以为离线编程提供有效的验证手段。

1.2 国内外研究现状

对机器人系统的动力学微分方程建模研究。机器人是典型的多体运动系统，可以采用动力学方法构建数学模型，常用的有牛顿-欧拉方法、拉格朗日法等。于国飞、宋文荣和许纯新等更具机械手结构原理，运用拉格朗日法，将液压挖掘机机器人化，构造了其动力学模型。邓子龙等采用Kane-Huston法，使用低序列矩阵描述了挖掘机的拓扑构造，推出了其结构的动力学方程，最终求得其速度和加速度特性曲线。刘彦斌等则从运动学与动力学建模两方面分析了一种3-RRR新型高速搬运机器人。

对机器人的动力学仿真研究。由于计算机性能的飞速提高和有限元方法的应用，动力学仿真分析软件越来越多，分析效果也逐步得到了工程应用的认可。梁浩等使用擅长有限元分析的ANSYS和擅长机械动力学分析的ADAMS软件相结合，进行了柔性机器人的动力学仿真分析。刘祚时等利用ADAMS软件建立了采用轮组形式的结构进行爬楼的机器人的虚拟样机模型，仿真分析了其爬楼过程中的功率变化。华中科技大学的冯高针对水下机械手特殊的应用环境和性能要求，在分析了机械手功能要求和性能指标的前提下，设计了一种新型的开放式结构机械手。机械手的静力学分析证明机械结构满足强度、刚度要求。然后，采用MATLAB和ADAMS 联合仿真的方法，仿真分析了其动力学特性，得出了在水流干扰下机械手的优化方案和设计细节的改进。

2. 研究的基本内容与方案

建立机械臂各关节角度与末端位姿的对应关系是研究机械臂运动的基础，机械臂关节空间与末端任务空间的数学关系就是机械臂的运动学模型，通过 Denavit－Hartenberg 法则对该机器人进行运动学建模，推导出机器人正逆运动学模型，并利用Matlab Robtics Toolbox 进行运动特性的仿真分析。采用拉格朗日法建立机械臂的动力学模型。

V-REP是一个强大的机器人3D集成开发环境，其具有几个通用的计算模块（逆运动学，物理/动力学，碰撞检测，最小距离计算，路径规划等），分布式控制架构（无限数量的控制脚本，线程或非线程），以及几个扩展机制（插件，客户端应用程序等），它提供了许多功能，可以通过详的API和脚本功能轻松集成和组合。V-REP中存在大量的现存工业机械臂及机械手抓的三维模型，因此可以直接调用UR5机械臂模型，如图2.1所示。

MATLAB则用来处理各种实验数据，完成数学运算的平台。MATLAB中simulink模块可用于与V-REP中机械臂的实时通信平台搭建，读取V-REP中机械臂的运动状态作为控制器的反馈信息。

本设计使用MTALAB模块，使用V-Rep软件共同操作UR5机械臂，控制机械臂到达一定的关节角度。