六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真

摘要

机械臂作为机器人最主要的执行机构，对于它的研究有着重要的意义。机械臂系统包括机械、硬件、软件、算法这四个部分。各个部分都是紧密相联，需要互相协调来设计的。本文对六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真进行了研究。主要内容如下： ⑴依据工作空间中机械臂抓持器要想达到任意位姿，至少需要六个自由度的结论，采用了六自由度链式关节的结构。根据自平衡机器人的尺寸设计了一套机械臂的结构方案，并通过各连杆的质量，采用静力学估算各个关节的力矩，从而选择与之匹配的电机。采用了一种基于CAN总线分布式的控制方案。将工控机和关节控制器挂在CAN总线上。工控机主要功能是对关节控制器进行监控，同时也完成机械臂运动学、轨迹规划方面算法的实现。关节控制器采用TI公司的TMS320LF2407 DSP，主要实现位置，速度和力矩伺服控制算法的实现。 ⑵采用标准的D-H建模方法，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的正运动学进行了分析，采用解析法对关节角进行解耦运算，推导出了逆运动学的封闭解析解，并采用功率最省做为性能指标，确定了唯一解。使用基于Matlab平台下的Robotics Toolbox机器人工具箱对推导过程的正确性进行了验证与仿真。 ⑶分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法：三次多项式和五次多项式轨迹规划方法。仿真结果表明三次多项式轨迹规划方法计算量较小，但是不能保证角加速度连续：五次多项式轨迹规划方法计算量较大些，但能够保证角加速度的连续性，从而使电机平稳地运行。然后又在笛卡儿空间中对机械臂进行了轨迹规划，采用了空间直线和空间圆弧插补算法，详细地介绍了这两种轨迹计划的实现算法，并且对种插补算法进行了仿真实验。 ⑷根据六自由度机械臂的构型，基于MFC框架类和OpenGl。图形库，在VC++6．0开发平台上专门开发了一套适用于这种构型的三维仿真工具。仿真工具把运动学和轨迹规划算法融入了其中，有效地验证了机械臂数学模型以及正、逆运动学求解过程的正确性，并且对四种轨迹规划方法的效果做了直观的比较。有效地解决了运动学和轨迹规划分析结果不易验证以及在实际本体上试验成本较高的问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究的背景和意义

1.2国内外机械臂研究现状

1.2.1国外机械臂研究现状

1.2.2国内机械臂研究现状

1.3机械臂关键技术进展

1.3.1械臂控制系统研究现状

1.3.2轨迹规划研究的现状

1.3.3仿真技术研究现状

1.4课题的来源及主要研究内容

1.4.1课题来源

1.4.2研究内容

第2章六自由度机械臂硬件系统设计

2.1概述

2.2机械臂构型选择

2.3电机选择

2.3.1各关节力矩估算

2.3.2各关节功率估算及电机选型

2.4硬件系统设计

2.4.1关节控制器设计

2.4.2关节控制器硬件电路

2.5 CAN总线

2.6本章小结

第3章六自由度机械臂建模

3.1概述

3.2机械臂位姿描述

3.2.1位置描述

3.2.2方位描述

3.2.3位姿描述

3.2.4平移坐标变换

3.2.5旋转坐标变换

3.2.6复合变换

3.2.7齐次坐标变换

3.3六自由度机械臂建模及正运动学分析

3.3.1建立数学模型

3.3.2正运动学分析

3.3.3正运动学仿真

3.4六自由度机械臂逆运动学分析

3.4.1逆运动学分析

3.4.2逆运动学仿真

3.5本章小结

第4章六自由度机械臂的轨迹规划

4.1运动规划概述

4.2关节空间中进行轨迹规划

4.2.1三次多项式插值

4.2.2五次多项式插值

4.2.3三次多项式、五次多项式轨迹规划对比

4.3笛卡儿空间中进行轨迹规划

4.3.1空间直线插补算法

4.3.2空间直线插补仿真实验

4.3.3空间圆弧插补算法

4.3.4空间圆弧插补仿真实验

4.4本章小结

第5章基于OpenGL的六自由度机械臂三维仿真工具的设计

5.1机器人机械臂三维仿真概述

5.2计算机图形学

5.3三维造型软件比较

5.4 Windows对OpenGl的支持

5.5软件的实现步骤

5.5.1仿真软件框架的设计

5.5.2仿真实体的绘制

5.5.3运动学算法在仿真工具上的实现

5.5.4轨迹规划算法在仿真工具上的实现

5.6仿真工具的功能

5.6.1正运动学仿真模块

5.6.2逆运动学仿真模块

5.6.3轨迹规划仿真模块

5.7本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢