基于 MATLAB 的 MK2 三自由度机械臂轨迹规划及控制器仿真设计
摘要:
本文的研究对象为 EEZYbotARM MK2 三自由度机械臂,通过对其机械结构的分析,建立了 D-H 参数
表。同时,在 MATLAB 中建立了该机械臂的正逆运动学模型,并利用高阶多项式插值法对机械臂轨迹
进行规划,实现了复杂的运动路径。基于力学关系,本文还建立了机械臂的动力学模型,并利用
Simulink 进行了仿真分析。根据系统的特点,本文设计了前馈控制、前馈 PD 控制和力矩控制三种
控制器,并进行了多次仿真验证,得到了理想的控制效果。
1. 引言
近年来,机械臂在工业生产和科研领域得到了广泛的应用。MK2 三自由度机械臂作为一种经济实
用的机械臂,具有结构简单、操作方便等优点,被广泛应用于教育和科研实验中。本文以
EEZYbotARM MK2 为研究对象,旨在研究其轨迹规划和控制器设计,以提高机械臂的运动精度和控
制性能。
2. 机械结构分析与 D-H 参数建立
2.1. 机械结构分析
MK2 机械臂由三个旋转关节组成,分别为基座、肘部和手部旋转关节,通过这三个关节的运动,
实现机械臂的三自由度控制。
2.2. D-H 参数建立
根据机械结构分析,建立 MK2 机械臂的 D-H 参数表,通过定义每个关节的旋转轴、连杆长度等参
数,建立了机械臂的正逆运动学模型。
3. 轨迹规划
3.1. 高阶多项式插值法
本文采用高阶多项式插值法对 MK2 机械臂的轨迹进行规划,通过定义起点、终点和过渡点,利用
多项式插值算法生成平滑的运动曲线,实现机械臂的连续运动。
4. 动力学模型建立与仿真分析
4.1. 力学关系的建立
基于牛顿-欧拉法,建立 MK2 机械臂的动力学模型,考虑关节摩擦、惯性等因素,分析机械臂在
不同状态下的运动特性。
4.2. Simulink 仿真分析
利用 MATLAB 中的 Simulink 工具,建立 MK2 机械臂的仿真模型,设置机械臂的初始状态和目
标轨迹,进行仿真分析,并对比不同控制器下的运动轨迹和响应性能。