第12卷第1期 智能系统学报 Vol.12 No.1 2017年2月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Feb.2017 D0I:10.11992/tis.201604018 网络出版地址：http:/kns.cmki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170227.1801.012.html 一种协作型机器人运动性能分析与仿真 胡明伟2，王洪光，潘新安，田勇2，常勇 (1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016：2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：随着制造模式的变革，协作型机器人在工业领域的应用日益广泛。本文介绍了协作型机器人的特性，并且 以KUKA LBR iiwa机器人为例，进行运动性能分析，旨在为研发此类机器人提供设计理论依据。利用Denavit-. Hartenberg法建立了该机器人运动学模型。基于蒙特卡洛法在MATLAB环境下对机器人灵活性和可操作性进行分 析，并对其在狭小空间内作业进行轨迹规划，仿真结果表明LBR iiwa机器人具有良好的灵活性、可操作性及避障 能力。 关键词：LBR iiwa:协作型机器人：灵活性：可操作性：狭小空间：轨迹规划 中图分类号：TP241文献标志码：A文章编号：1673-4785(2017)01-0075-07 中文引用格式：胡明伟，王洪光，潘新安，等.一种协作型机器人运动性能分析与仿真[J].智能系统学报，2017,12(1)：75-81. 英文引用格式：HU Mingwei,Wang Hongguang,Pan Xin'an,etal.Analysis and simulation on kinematics performance of a collaborative robot[J].CAAI transactions on intelligent systems,2017,12(1):75-81. Analysis and simulation on kinematics performance of a collaborative robot HU Mingwei'2,WANG Hongguang',PAN Xin'an',TIAN Yong'2,CHANG Yong' (1.State Key Laboratory of Robotics,Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2. University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 110049,China) Abstract:With the revolution of manufacturing mode,the application of collaborative robot in industry is becoming increasingly widespread.This paper introduces the characteristics of collaborative robot and analyzes the kinematics performance of KUKA LBR iiwa which is the typical representative of collaborative robots.The aim of this work is to provide design theory basis for developing this kind of robot.The robot kinematic model is established by Denavit- Hartenberg method.Based on Monte-Carlo method,the flexibility and manipulability of robot are analyzed in MATLAB environment.The trajectory of robot working in narrow workspace is planned,simulation results show that LBR iiwa has good flexibility,manipulability and obstacle avoidance ability. Keywords:LBR iiwa;collaborative Robots;flexibility;manipulability;narrow workspace;trajectory planning 传统的工业机器人适应结构化生产环境、大批适应中小型企业的柔性制造场合。其工作环境由 量的制造模式，已经在汽车、电子电气、橡胶及塑料 封闭的结构化作业环境转变为与人共存的半结构 等行业得到了广泛的应用。近年来，随着市场需求 化作业环境。就性能要求而言，传统的制造模式要 向用户定制、多品种、中小批量生产的转变，对机器 求机器人具有较高的重复定位精度，当前的一些作 人的应用需求也发生了变化。就制造模式而言，机 业任务对机器人的绝对定位精度也提出了很高要 器人不仅要适应大型企业的刚性生产线要求，也要 求。显然，传统的工业机器人已不能适应上述生产 制造模式的变化，难以满足新的市场需求[-]。 收稿日期：2016-04-14.网络出版日期：2017-02-27. 基金项目：国家自然科学基金项目(51405482)：辽宁省自然科学基金计划项 近年来，协作型机器人日益受到人们的重视， 目(2013020054)：中国科学院重点部署项目(KGZD-EW-608-1): 已经有多家机器人制造商开发出这种可以与人协 辽宁省产业共性技术创新平台计划项目(2015106014) 通信作者：王洪光.E-mail:hgwang@sia.cn 同工作，更加安全且灵活的新型机器人，这种机器第 １２ 卷第 １ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１２ №．１ ２０１７ 年 ２ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｅｂ． ２０１７ ＤＯＩ：１０．１１９９２ ／ ｔｉｓ．２０１６０４０１８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ＴＰ．２０１７０２２７．１８０１．０１２．ｈｔｍｌ 一种协作型机器人运动性能分析与仿真 胡明伟１，２ ，王洪光１ ，潘新安１ ，田勇１，２ ，常勇１ （１．中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳 １１００１６； ２．中国科学院大学，北京 １０００４９） 摘 要：随着制造模式的变革，协作型机器人在工业领域的应用日益广泛。 本文介绍了协作型机器人的特性，并且 以 ＫＵＫＡ ＬＢＲ ｉｉｗａ 机器人为例，进行运动性能分析，旨在为研发此类机器人提供设计理论依据。 利用 Ｄｅｎａｖｉｔ⁃ Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ 法建立了该机器人运动学模型。 基于蒙特卡洛法在 ＭＡＴＬＡＢ 环境下对机器人灵活性和可操作性进行分 析，并对其在狭小空间内作业进行轨迹规划，仿真结果表明 ＬＢＲ ｉｉｗａ 机器人具有良好的灵活性、可操作性及避障 能力。 关键词：ＬＢＲ ｉｉｗａ；协作型机器人；灵活性；可操作性；狭小空间；轨迹规划 中图分类号：ＴＰ２４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４７８５（２０１７）０１－００７５－０７ 中文引用格式：胡明伟，王洪光，潘新安，等．一种协作型机器人运动性能分析与仿真 ［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１７， １２（１）： ７５－８１． 英文引用格式：ＨＵ Ｍｉｎｇｗｅｉ， Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， Ｐａｎ Ｘｉｎ’ ａｎ， ｅｔ ａｌ． Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ［Ｊ］． ＣＡＡＩ ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１７， １２（１）： ７５－８１． Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ ＨＵ Ｍｉｎｇｗｅｉ １，２ ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ １ ， ＰＡＮ Ｘｉｎ’ａｎ １ ，ＴＩＡＮ Ｙｏｎｇ １，２ ，ＣＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ １ （１． Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６，Ｃｈｉｎａ；２． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １１００４９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｍｏｄｅ， ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ． Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＫＵＫＡ ＬＢＲ ｉｉｗａ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｖｅ ｏｆ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔｓ． Ｔｈｅ ａｉｍ ｏｆ ｔｈｉｓ ｗｏｒｋ ｉｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｏｂｏｔ． Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ Ｄｅｎａｖｉｔ⁃ Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ ｍｅｔｈｏｄ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｏｎｔｅ⁃Ｃａｒｌｏ ｍｅｔｈｏｄ， ｔｈｅ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ＭＡＴＬＡＢ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎ ｎａｒｒｏｗ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ｉｓ ｐｌａｎｎｅｄ， ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ＬＢＲ ｉｉｗａ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ， ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｖｏｉｄａｎｃｅ ａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＢＲ ｉｉｗａ； ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｒｏｂｏｔｓ； ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ； ｍａｎｉｐｕｌａｂｉｌｉｔｙ； ｎａｒｒｏｗ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ； ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ 收稿日期：２０１６－０４－１４． 网络出版日期：２０１７－０２－２７． 基金项目：国家自然科学基金项目（５１４０５４８２）；辽宁省自然科学基金计划项 目（２０１３０２００５４）；中国科学院重点部署项目（ＫＧＺＤ－ＥＷ－６０８－１）； 辽宁省产业共性技术创新平台计划项目（２０１５１０６０１４）． 通信作者：王洪光． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｇｗａｎｇ＠ ｓｉａ．ｃｎ ． 传统的工业机器人适应结构化生产环境、大批 量的制造模式，已经在汽车、电子电气、橡胶及塑料 等行业得到了广泛的应用。 近年来，随着市场需求 向用户定制、多品种、中小批量生产的转变，对机器 人的应用需求也发生了变化。 就制造模式而言，机 器人不仅要适应大型企业的刚性生产线要求，也要 适应中小型企业的柔性制造场合。 其工作环境由 封闭的结构化作业环境转变为与人共存的半结构 化作业环境。 就性能要求而言，传统的制造模式要 求机器人具有较高的重复定位精度，当前的一些作 业任务对机器人的绝对定位精度也提出了很高要 求。 显然，传统的工业机器人已不能适应上述生产 制造模式的变化，难以满足新的市场需求［１－２］ 。 近年来，协作型机器人日益受到人们的重视， 已经有多家机器人制造商开发出这种可以与人协 同工作，更加安全且灵活的新型机器人，这种机器