PUMA560机器人控制系统设计及双重控制方法应用研究

摘要

本文是对 PUMA560机器人进行的控制系统的设计与控制理论和方法的应用探索。实验室现有一台PUMA560机器人，其原有控制系统已老化和损坏，且缺少相关资料。本文旨在为PUMA560设计控制器，将其改造成一个教学应用和算法实验的平台，以充分、合理地利用实验室的资源，节约科研成本。该平台可以集成各种传感器，如视觉传感器，从而实现更先进的机器人控制。
　　本文首先用D-H法对PUMA560机器人臂体建立了数学模型，对机器人进行了运动学分析与综合。一方面，从空间中物体的位姿描述出发，建立了PUMA560的运动学方程，得到了 PUMA560的末端位姿与各关节转角之间的关系，求出了机器人的变换矩阵；另一方面，讨论了运动学方程的求解方法，使在给定末端位姿的情况下求各关节的转角成为可能。为了使运动学分析和综合更加直观，引入了机器人工具箱Robotics Toolbox，对PUMA560的正、逆运动学问题进行了仿真。
　　在建立了机器人运动学模型的基础上，进行了机器人关节伺服控制系统的设计。硬件方面，对 PUMA560的原有控制系统和伺服电机系统进行了研究，设计了基于SG3524和L6203的直流电机驱动电路，并对其进行了调试；理论方面，对各直流伺服电机建立了电机模型，测得了电机参数，并设计了 PI控制器，对控制器的性能进行了仿真；软件方面，在 RTW环境下建立了实时控制系统，实现了对关节转角的实时控制。
　　控制过程中，机器人手臂转动惯量的变化对关节的控制造成的影响不容忽视。考虑到控制过程参数变化的特征，引入了自适应控制理论，将其应用于机器人关节控制器的设计。然而自适应控制具有其自身的局限性，为了改进控制效果，为自适应控制加入了双重特性，对谨慎控制器和自适应双重控制器进行了研究，将模型参考自适应双重控制算法应用到 PUMA560的关节并进行了三种控制器的仿真。结果表明了自适应双重控制相对于其他两种控制器优越性。

目录

PUMA560机器人控制系统设计 及双重控制方法应用研究

DESIGN OF CONTROL SYSTEM AND RESEARCH ON APPLICATION OF DUAL CONTROL METHOD FOR PUMA560 ROBOT

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及其意义

1.2 机器人技术的现状与发展趋势

1.3 自适应双重控制理论发展与应用现状

1.3.1 双重控制理论概述

1.3.2 国内外研究与应用现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 PUMA560运动学建模与仿真

2.1 引言

2.2 物体在空间中的位姿描述与坐标变换

2.2.1 物体在空间中的位姿描述

2.2.2 齐次坐标变换

2.2.3 多级坐标变换

2.3 PUMA560运动方程的建立

2.4 PUMA560运动学方程的求解

2.4.1 逆运动学问题的特性

2.4.2 PUMA560逆运动学问题求解

2.5 PUMA560正运动学和逆运动学仿真

2.6 本章小结

第3章 PUMA560控制系统硬件设计与调试

3.1 引言

3.2 PUMA560控制系统总体设计方案

3.3 PUMA560关节伺服系统研究

3.3.1 PUMA560原控制系统

3.3.2 PUMA560伺服电机系统

3.3.3 PUMA560控制系统设计思路

3.4 电机驱动电路设计

3.4.1 PWM波形发生电路

3.4.2 H桥电路

3.4.3 驱动板测试

3.5 本章小结

第4章 RTW下PUMA560关节控制系统的实现

4.1 引言

4.2 数据采集卡PCI-1711

4.3 实时视窗目标RTW(Real-Time Windows Targert)

4.4 实时控制系统的实现

4.5 位置闭环控制器的设计与调试

4.6 本章小结

第5章 自适应双重控制方法在PUMA560中的应用

5.1 引言

5.2 双重控制理论基础

5.2.1 自适应控制系统概述

5.2.2 确定性等价准则

5.2.3 谨慎控制器和自适应双重控制器

5.2.4 次最优双重控制器

5.3 自适应双重控制算法推导

5.4 算法应用仿真

5.5 本章小结

结 论

参考文献

附录 实验照片

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢