六自由度机械臂的轨迹规划及控制仿真研究

摘要

随着机械臂应用领域的不断扩大，人们对机械臂的要求也日益提高，特别是对处于机械臂核心地位的轨迹规划与控制系统的要求也越来越高。因此，研究高性能的机械臂轨迹规划与控制方法是一项重要课题。以六自由度机械臂—PUMA560为研究对象，主要做了如下方面的工作:
　　(1)对机械臂的运动学及动力学进行了分析。介绍了机械臂的动力学建模方法及其特性，并给出了机械臂动力学模型的通用方程，为机械臂轨迹规划和控制方法研究提供了动力学模型基础。
　　(2)针对机械臂在关节空间常规三次多项式轨迹规划算法存在关节加速度突变的问题，进而会导致控制力矩的突变，给机械臂关节电机造成不利的影响，运用五次多项式轨迹规划算法规划各关节的空间轨迹，使得各关机角位移、角速度和角加速度均保持连续，使各关节电机平稳运转。在笛卡尔空间中采用了空间直线和空间圆弧插补算法对机械臂进行了轨迹规划，并利用MATLAB机器人工具箱对运动系统进行建模和运动仿真。
　　(3)针对规划好的轨迹，常规滑模算法存在抖振现象，通过对六自由度机械臂的常规滑模算法的分析，提出了一种考虑外界扰动的机械臂自适应模糊滑模控制算法，有效解决了控制力矩的抖振。设计了一种自适应单输入单输出模糊系统，用来计算控制增益。设计了基于李雅普洛夫理论的自适应律，对系统的稳定性和收敛性进行了数学证明。并在Simulink中对自适应模糊滑模控制进行了仿真。仿真结果表明，自适应模糊滑模控制削弱了存在于常规滑模控制中的抖振现象，且具有良好的跟踪性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 机械臂轨迹规划的研究现状

1．2．2 机械臂控制算法的研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 六自由度机械臂的正逆运动学求解与动力学方程建立

2．1 六自由度机械臂的正逆运动学求解

2．1．1 六自由度机械臂的运动学正解

2．1．2 六自由度机械臂的运动学逆解

2．2 六自由度机械臂的动力学方程的建立

2．2．1 机械臂动力学方法

2．2．2 动力学通用模型的构建

2．2．3 机械臂动力学简化模型的建立

2．2．4 机械臂动力学模型的特性

2．3 本章小结

第3章 六自由度机械臂的轨迹规划算法及仿真

3．1 机械臂的轨迹规划算法

3．1．1 六自由度机械臂在关节空间的轨迹规划算法

3．1．2 六自由度机械臂在笛卡尔空间的轨迹规划算法

3．2 机械臂的轨迹规划仿真

3．2．1 Robotics Toolbox机器人仿真工具

3．2．2 六自由度机械臂对象的构建

3．2．3 六自由度机械臂在笛卡尔空间的运动仿真

3．3 本章小结

第4章 考虑外界扰动的六自由度机械臂的自适应模糊滑模控制算法及其仿真

4．1 六自由度机械臂的常规滑模控制算法及仿真

4．1．1 滑模控制

4．1．2 六自由度机械臂的常规滑模控制律的设计

4．1．3 六自由度机械臂的常规滑模控制仿真

4．2 六自由度机械臂的自适应模糊滑模控制

4．2．1 模糊控制器各组成部分的选择

4．2．2 基于增益自适应调整的模糊系统

4．2．3 六自由度机械臂的自适应模糊滑模控制算法

4．2．4 六自由度机械臂的自适应模糊滑模控制的仿真及分析

4．3 本章小结

5．1 全文总结

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目