某型路锥收放机械手运动控制设计与研究

摘要

伴随我国高速公路的里程日益增加，公路养护的任务日益繁重，对公路养护机械自动化、信息化提出了更高的要求。目前，国内在公路维修作业时路锥的摆放与回收多采用人工操作，这种人工摆放和回收作业速度慢，安全系数低。本文主要针对本教研室设计的第一台路锥收放车的不足，提出以路锥收放机械手为核心的自动收放系统。本文提出了基于工程车、机械手的路锥收放系统总体方案，着重进行了机械手运动轨迹设计与伺服控制技术研究。
　　 论文首先根据路锥收放的技术要求与工作过程，设计了四自由度关节型机械手。利用D-H法建立了机械手的运动学模型，并在连杆坐标系简图的基础上，利用齐次坐标变换分析了机械手运动学。根据建立的运动学模型，利用Matlab机器人工具箱进行了轨迹规划和运动学仿真，使得机械手运动轨迹尽量平滑，避免了位置、速度和加速度的突变。基于ADAMS软件对机械手轨迹规划的合理性进行了验证，并仿真获得了工作过程中各关节的角速度、角加速度及驱动力矩，为实际运动控制的实现奠定基础。
　　 然后，针对机械手动力学模型非线性、强耦合特性，本文设计RBF神经网络自适应控制器对其进行运动控制，并对算法进行改进，通过仿真实验证明了控制策略的有效性。
　　 最后，设计了以DSP处理器为核心的机械手硬件电路，并完成了关键功能模块的软件设计和控制系统软件流程设计。论文工作为路锥收自动放样车二代产品研制提供了一定的参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 路锥收放装置的国内外研究现状

1．3 国内外工业机器人的研究现状

1．4 机器人控制的研究现状

1．5 本文研究的主要内容

1．6 本章小结

2 路锥收放机械手总体设计

2．1 路锥收放系统总体方案

2．1．1 系统的技术要求

2．1．2 路锥收放系统的总体方案

2．2 路锥收放机械手的总体设计

2．2．1 机械手机械结构的设计

2．2．2 驱动方案的选择

2．2．3 机械手的参数设计

2．2．4 末端执行器设计

2．2．5 机械手整体机构设计

2．2．6 控制器选择

2．3 本章小结

3 机械手运动学与动力学仿真分析

3．1 刚体模型的空间描述

3．1．1 刚体的位姿

3．1．2 坐标变换

3．2 机械手运动学学方程描述

3．2．1 连杆参数及连杆坐标

3．2．2 连杆坐标变换和运动学方程

3．2．3 机械手机械手的运动分析

3．2．4 机械手的运动综合

3．3 机械手的雅可比矩阵

3．4 机械手动力学模型的构建

3．4．1 拉格朗日动力学方程的推导方法

3．4．2 机械手动力学模型

3．5 基于MATLAB机械手建模与仿真

3．5．1 机械手的构建

3．5．2 机械手的正、逆运动学仿真

3．5．3 机械手的轨迹规划

3．6 基于ADAMS机械手正、逆动力学仿真

3．6．1 ADAMS软件简介

3．6．2 ADMS／VIEW环境下建立仿真模型

3．6．3 ADAMS环境中机械手的动力学仿真分析

3．6．4 结果与分析

3．7 本章小结

4 基于神经网络自适应机械手控制算法研究

4．1 神经网络理论简介

4．1．1 神经网络在控制系统中的应用

4．1．2 RBF神经网络结构及算法

4．2 基于RBF不确定逼近的机械手自适应控制

4．2．1 模型不确定部分的描述

4．2．2 模型不确定部分的RBF逼近

4．2．3 控制器的设计与分析

4．3 仿真与分析

4．3．1 机械手的动力学模型

4．3．2 仿真结果与分析

4．4 基于模型整体逼近的机械手RBF自适应控制

4．4．1 机械手考虑摩擦的模型描述

4．4．2 控制器的设计

4．4．3 控制系统稳定性分析

4．4．4 仿真与分析

4．5 本章小结

5 机械手控制系统硬件设计

5．1 系统总体硬件构成

5．1．1 机械手控制系统的任务与方案设计

5．1．2 TMS320F2812简介

5．2 DSP最小系统及电源电路设计

5．2．1 DSP的最小系统设计

5．2．2 电源电路设计

5．3 功能模块电路设计

5．3．1 DA转换电路设计

5．3．2 通信电路设计

5．3．3 位置检测电路设计

5．3．4 显示及按键电路设计

5．3．5 其他电路的设计

5．4 本章小结

6 机械手控制系统软件流程设计

6．1 软件流程的总体结构与设计

6．1．1 软件开发环境简介

6．1．2 系统主程序流程设计

6．2 功能模块软件流程设计

6．2．1 SCI通信

6．2．2 位置检测程序设计

6．2．3 按键及显示程序流程设计

6．3 上位机与下位机的通信协议

6．3．1 下位机通信模块的通信列表

6．3．2 上位机与DSP通信

6．3 本章小结

7 总结与展望

致谢

参考文献

附录