基于CANopen的空间机械臂伺服控制系统研究

摘要

空间机械臂本身就是一种智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力，既具有自主分析能力也可由航天员进行遥控，是一个机、电、控一体化的高度集成的复杂机电控制系统。本文以湖南大学特种机器人实验室与某航天研究所合研项目“某六自由度空间机械臂项目”为研究对象，提出了基于CANopen的机械臂伺服控制系统研究课题，以实现机械臂末端空间点到点运动为研究目标。本论文研究重点在于机械臂分布式控制系统结构设计，CANopen协议下电机运动控制设计及六自由度机械臂运动学分析。
　　论文首先研究了空间机器臂的国内外发展现状，指出空间机械臂在深空探测及空间在轨服务等空间技术领域具有广泛的应用。依照课题研究要求，分析了CAN总线下机械臂伺服控制系统的一些关键技术，分布式控制系统研究现状及现场总线应用的现状。
　　通过研究空间机械臂系统的一般结构和本课题中机械臂的构型，提出了空间机械臂分布式控制系统的总体设计方案。详细研究了空间机械臂分布式系统中央控制器、总线通讯、关节运动机构及配电器各模块的硬件设计，且确保各模块性能达到系统控制要求。空间机械臂伺服控制系统的总体设计为本课题研究提供了硬件条件。
　　空间机械臂CANopen协议的配置为电机在CAN总线下实现运动控制提供了通讯基础。论文中介绍了CAN总线的特点及发展，详细分析了CANopen协议的通讯模型及核心概念。依照CANopen通讯子协议和运动控制设备子协议，结合本课题电机运动控制要求，设计了适合空间机械臂系统控制的心跳协议配置、PDO映射配置以及运动控制配置。
　　空间机械臂运动学分析是实现末端点到点运动的理论基础。论文中根据六自由度空间机械臂结构特点和关节约束关系，采用改进型 DH法建立机械臂模型和机械臂空间坐标系，论述了空间机械臂末端位姿从笛卡尔空间描述到关节空间描述的映射过程，完成了空间机械臂运动学分析，并在Matlab中建立机械臂空间模型，通过仿真验证了机械臂运动学算法的正确性。机械臂末端工作区间是机械臂操控性能的重要指标之一，本文基于蒙特卡洛法分析了六自由度空间机械臂末端工作区间，也验证了课题中机械臂良好的空间操控性。
　　论文最后分析了空间机械臂控制系统软件架构和电机控制程序设计。电机控制程序设计为绝决 CAN卡通讯和电机运动控制封装了ArmCoM类和MotorControl类，ArmCoM类实现了控制端到 CAN网络的通讯，MotorControl类基于CANopen协议封装了运动控制所需的接口函数。通过机械臂伺服控制实验，实现了机械臂末端空间点到点的运动，达到了课题研究目标。

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第1章 绪论

1.1论文研究背景及意义

1.2空间机械臂的研究现状

1.3空间机械臂伺服控制系统概述

1.4论文研究内容和组织结构

第2章 空间机械臂伺服控制系统总体设计

2.1空间机械臂控制系统结构设计

2.2空间机械臂伺服控制系统电气设计

2.3本章小结

第3章 空间机械臂CANopen协议配置

3.1 CAN总线简介

3.2 CANopen协议分析

3.3空间机械臂CANopen协议的配置

3.4本章总结

第4章 空间机械臂运动学分析

4.1机械臂位姿描述

4.2 D-H模型简介

4.3机械臂运动学分析

4.4空间机械臂工作区间分析

4.5本章小结

第5章 机械臂伺服控制系统软件设计

5.1机械臂控制系统软件设计方案

5.2电机控制程序设计

5.3机械臂伺服控制实验

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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附录B攻读学位期间所参加的科研项目