六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真.pdf

1、機(jī)械臂作為機(jī)器人最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)于它的研究有著重要的意義。機(jī)械臂系統(tǒng)包括機(jī)械、硬件、軟件、算法這四個(gè)部分。各個(gè)部分都是緊密相聯(lián)，需要互相協(xié)調(diào)來設(shè)計(jì)的。本文對(duì)六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下： ⑴依據(jù)工作空間中機(jī)械臂抓持器要想達(dá)到任意位姿，至少需要六個(gè)自由度的結(jié)論，采用了六自由度鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)自平衡機(jī)器人的尺寸設(shè)計(jì)了一套機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)方案，并通過各連桿的質(zhì)量，采用靜力學(xué)估算各個(gè)關(guān)節(jié)的力矩，從而

2、選擇與之匹配的電機(jī)。采用了一種基于CAN總線分布式的控制方案。將工控機(jī)和關(guān)節(jié)控制器掛在CAN總線上。工控機(jī)主要功能是對(duì)關(guān)節(jié)控制器進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)也完成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、軌跡規(guī)劃方面算法的實(shí)現(xiàn)。關(guān)節(jié)控制器采用TI公司的TMS320LF2407 DSP，主要實(shí)現(xiàn)位置，速度和力矩伺服控制算法的實(shí)現(xiàn)。 ⑵采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H建模方法，建立了機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型。對(duì)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，采用解析法對(duì)關(guān)節(jié)角進(jìn)行解耦運(yùn)算，推導(dǎo)出了逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的封閉解析解

3、，并采用功率最省做為性能指標(biāo)，確定了唯一解。使用基于Matlab平臺(tái)下的Robotics Toolbox機(jī)器人工具箱對(duì)推導(dǎo)過程的正確性進(jìn)行了驗(yàn)證與仿真。 ⑶分析了機(jī)械臂在關(guān)節(jié)空間中軌跡規(guī)劃的兩種實(shí)現(xiàn)方法：三次多項(xiàng)式和五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法。仿真結(jié)果表明三次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法計(jì)算量較小，但是不能保證角加速度連續(xù)：五次多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法計(jì)算量較大些，但能夠保證角加速度的連續(xù)性，從而使電機(jī)平穩(wěn)地運(yùn)行。然后又在笛卡兒空間中對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了

4、軌跡規(guī)劃，采用了空間直線和空間圓弧插補(bǔ)算法，詳細(xì)地介紹了這兩種軌跡計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)算法，并且對(duì)種插補(bǔ)算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。 ⑷根據(jù)六自由度機(jī)械臂的構(gòu)型，基于MFC框架類和OpenGl。圖形庫，在VC++6．0開發(fā)平臺(tái)上專門開發(fā)了一套適用于這種構(gòu)型的三維仿真工具。仿真工具把運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃算法融入了其中，有效地驗(yàn)證了機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型以及正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解過程的正確性，并且對(duì)四種軌跡規(guī)劃方法的效果做了直觀的比較。有效地解決了運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃分析