关键词：机器人运动学；轨迹规划；MATLAB；ADAMS；工作空间
一、文章简要介绍
煤矿巷道掘进时，顶板和两帮要用锚网支护，也就是把钢筋网片托举到位再打锚杆。这道工序目前多半靠人工，效率低、安全风险高、质量也不好控制。这篇工作把铺网做成自动化：在掘锚一体机机身上集成一套自动铺网机器人，通过机械臂结构优化、运动学建模、作业路径规划控制算法优化和虚拟仿真实验验证，争取在狭窄巷道里实现无障碍作业（DOI：10.1038/s41598-025-18238-w）。
图1 铺网机器人的作业工况与尺寸参数
机器人由底座、伸缩臂和五自由度机械臂组成，末端执行器负责抓取和托举网片，整机布置在掘进机机身上，随掘锚一体机一起推进。
图2 铺网机器人的结构组成与测试样机
二、运动学建模与 MATLAB 工作空间仿真
运动学建模用的是改进 D-H 参数法。作者按机器人的连杆关系挨个建立坐标系，列出相邻连杆之间的齐次变换矩阵，一步步推出末端执行器相对基座的位置和姿态表达式，为后面的工作空间分析和轨迹规划做准备。
图3 铺网机器人的改进 D-H 坐标系
工作空间在 MATLAB 里算。调用 Robotics Toolbox，用 Link() 和 SerialLink() 把连杆模型搭出来，再上蒙特卡洛法：对 5 个关节角各取上下限区间内的随机值，代入正运动学求出末端可达点，一共随机输入 50000 个点，用 plot3() 画出三维工作空间点云。
图4 铺网机器人的工作空间点云图
结果显示，机械臂工作空间高度 2800 mm、宽度 1770 mm，完全覆盖巷道支护网的主要作业区（距底板 1.2 到 2.5 m、距巷帮 0 到 1.8 m），没有够不到的死角，巷道拐角处的定位误差也能满足网片对接要求。
三、五次多项式轨迹规划与 ADAMS 运动学仿真（重点）
轨迹规划同样在 MATLAB 的 Robotics Toolbox 里完成。为了让末端执行器平稳到达目标焊点，作者在关节空间做五次多项式插值：给定起点和终点的关节角，五次多项式可以同时约束位置、速度和加速度，让启停更柔和、不抖动。逐段生成各关节的角度、角速度和角加速度随时间的变化曲线，再用 plot3() 和 plot() 画出来。
图5 末端运动轨迹与各关节的时间变化曲线
为了验证 MATLAB 规划得对不对，作者把三维模型导入 ADAMS 做运动学仿真：定义零件材料、设置重力加速度方向，先把机械臂底座固定，各关节设为转动副并加旋转驱动；再把 MATLAB 算出的路径数据导成外部驱动，在 ADAMS 里形成 SPLINE 曲线，用 CUBSPL 函数作为各关节的驱动函数，第一个关节写成 CUBSPL (time, 0, SPLINE_1, 0)。
图6 ADAMS 中的实时跟踪轨迹曲线
仿真在空载状态下进行，实时跟踪末端执行器的运动轨迹。把 MATLAB 与 ADAMS 得到的轨迹放在一起对比，两者一致，说明五次多项式插值轨迹规划能满足现场作业精度；各关节没有位移突变，角加速度的变化趋势与速度变化对应，说明空间轨迹规划是合理的。
图7 铺网机器人在 ADAMS 中的运动学仿真过程
物理样机也做了验证：样机按 MATLAB 预设的路径自主作业，连续完成 50 次铺网测试，伺服电机、夹具等关键部件没有发生故障，平均定位误差稳定在正负 30 mm 以内，满足设计要求。
四、我们提供的服务
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