模块化机器人运动控制系统的研究与设计

摘要

随着科技的发展，机器人技术在各个行业得到了日益广泛的应用，控制器作为机器人的核心组成部分是影响其性能的关键部分之一。本文介绍了机器人的定义、组成及应用，阐述了机器人技术的国内外研究现状，针对目前机器人控制器的特点与存在的问题，提出了建立具有开放式结构的模块化机器人控制系统，并详细分析了实现该控制系统所涉及的关键技术。 1.建立了基于D-H表示法的模块化机器人正、逆运动学模型，推导了基于代数法的逆运动学方程的求解过程，并针对其无解或多解的情况，分析了其可行解和最优解。 2.分析了三次均匀B样条曲线的构造原理和特点，设计了基于B样条曲线的模块化机器人关节空间轨迹规划算法，给出了基于笛卡尔空间坐标系的模块化机器人轨迹规划算法，比较了笛卡尔空间与关节空间轨迹规划的优缺点。 3.介绍了基于动态隶属函数的变论域模糊控制算法，为了满足机器人运动控制精确性、实时性以及自适应性的要求，引入了对机器人运动趋势的分析，提出了运动趋势分析型论域自调整的模糊控制算法。 4.设计了三级多CPU结构的模块化机器人控制系统。第一级为上位计算机，实现机器人系统管理、协调控制以及人机交互；第二级为区域控制器，主要由DSP(TMS320LF2812)模块、以太网模块、CAN总线模块以及电源模块组成，实现机器人正逆运动学求解、轨迹规划以及与上位机、下位机的通讯；第三级为智能模块，主要由DSP(TMS320LF2407)模块、驱动模块、CAN总线模块、传感模块以及电源模块组成，实现对机器人的运动控制、驱动以及与区域控制器的通讯。 通过Matlab软件，对模块化机器人运动学正、逆解，轨迹规划算法和运动控制算法进行了仿真实验。仿真结果表明：本文所提出的运动控制算法和所设计的轨迹规划算法，具有控制精度高，自适应能力强的特点。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1机器人的组成、分类及应用

1.1.1机器人的组成

1.1.2机器人的分类

1.1.3机器人的应用

1.2机器人技术研究现状及运动控制系统概述

1.2.1国外机器人技术发展现状

1.2.2国内机器人技术发展现状

1.2.3机器人运动控制系统概述

1.3机器人运动控制系统发展趋势分析

1.4模块化机器人运动控制系统实现概述及关键技术分析

1.4.1模块化机器人运动控制系统实现概述

1.4.2模块化机器人运动控制系统关键技术分析

1.5本课题的研究任务和拟解决的关键问题

1.5.1本课题的研究任务

1.5.2研究计划和拟解决的关键问题

1.6资助本课题的专项研究基金

第二章模块化机器人正逆运动学分析

2.1模块化机器人空间位姿描述

2.2模块化机器人正运动学方程及求解

2.2.1连杆坐标系的建立

2.2.2变换矩阵的建立

2.3模块化机器人逆运动学方程及求解

2.3.1迭代法

2.3.2几何法

2.3.3代数法

2.3.4可行解、最优解分析

2.4 小结

第三章模块化机器人轨迹规划

3.1轨迹规划概念及一般问题

3.1.1轨迹规划概念

3.1.2轨迹规划一般问题

3.2关节变量空间轨迹规划

3.2.1插值算法的设计与选择原则

3.2.2等距B样条函数

3.2.3边界点求解

3.2.4 B样条曲线求解

3.3笛卡儿空间轨迹规划

3.3.1直线插补轨迹规划

3.3.2圆弧插补轨迹规划

3.4笛卡儿空间轨迹规划与关节变量轨迹规划比较

3.5 小结

第四章模块化机器人运动控制算法

4.1基于动态隶属函数的变论域模糊控制算法

4.2面向模块化机器人的运动控制算法设计

4.2.1论域自调整

4.2.2二维模糊控制器

4.2.3运动趋势分析

4.3 小结

第五章模块化机器人运动控制系统

5.1模块化机器人运动控制系统设计

5.1.1模块化机器人运动控制系统架构设计

5.1.2模块化机器人运动控制系统特点

5.2模块化机器人运动控制系统智能模块设计

5.2.1智能模块功能分析

5.2.2智能模块硬件设计

5.2.3智能模块DSP芯片软件设计

5.3模块化机器人运动控制系统区域控制器设计

5.3.1区域控制器功能分析

5.3.2区域控制器硬件设计

5.3.3区域控制器DSP芯片软件设计

5.4模块化机器人运动控制系统通讯系统设计

5.4.1模块化机器人运动控制系统通讯系统特点

5.4.2区域控制器与智能模块通讯系统实现

5.4.3上位机与区域控制器通讯系统实现

5.5小结

第六章实验结果及分析

6.1模块化机器人运动学方程

6.1.1基于D-H表示法的模块化机器人运动学方程

6.1.2运动学方程验证

6.1.3逆运动学方程求解及验证

6.2四阶三次B样条轨迹插补算法仿真

6.3模块化机器人运动控制算法仿真

6.4模块化机器人轨迹规划仿真

6.5 小结

第七章结束语

7.1论文的主要工作

7.2论文的创新点

7.3进一步的研究工作

附 录

参考文献

研究生期间发表的论文和专利

致 谢