六自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與運動學(xué)仿真.pdf

1、機械臂作為機器人最主要的執(zhí)行機構(gòu)，對于它的研究有著重要的意義。機械臂系統(tǒng)包括機械、硬件、軟件、算法這四個部分。各個部分都是緊密相聯(lián)，需要互相協(xié)調(diào)來設(shè)計的。本文對六自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與運動學(xué)仿真進行了研究。主要內(nèi)容如下： ⑴依據(jù)工作空間中機械臂抓持器要想達到任意位姿，至少需要六個自由度的結(jié)論，采用了六自由度鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)自平衡機器人的尺寸設(shè)計了一套機械臂的結(jié)構(gòu)方案，并通過各連桿的質(zhì)量，采用靜力學(xué)估算各個關(guān)節(jié)的力矩，從而

2、選擇與之匹配的電機。采用了一種基于CAN總線分布式的控制方案。將工控機和關(guān)節(jié)控制器掛在CAN總線上。工控機主要功能是對關(guān)節(jié)控制器進行監(jiān)控，同時也完成機械臂運動學(xué)、軌跡規(guī)劃方面算法的實現(xiàn)。關(guān)節(jié)控制器采用TI公司的TMS320LF2407 DSP，主要實現(xiàn)位置，速度和力矩伺服控制算法的實現(xiàn)。 ⑵采用標(biāo)準(zhǔn)的D-H建模方法，建立了機械臂的數(shù)學(xué)模型。對機械臂的正運動學(xué)進行了分析，采用解析法對關(guān)節(jié)角進行解耦運算，推導(dǎo)出了逆運動學(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平臺下的Robotics Toolbox機器人工具箱對推導(dǎo)過程的正確性進行了驗證與仿真。 ⑶分析了機械臂在關(guān)節(jié)空間中軌跡規(guī)劃的兩種實現(xiàn)方法：三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃方法。仿真結(jié)果表明三次多項式軌跡規(guī)劃方法計算量較小，但是不能保證角加速度連續(xù)：五次多項式軌跡規(guī)劃方法計算量較大些，但能夠保證角加速度的連續(xù)性，從而使電機平穩(wěn)地運行。然后又在笛卡兒空間中對機械臂進行了

4、軌跡規(guī)劃，采用了空間直線和空間圓弧插補算法，詳細地介紹了這兩種軌跡計劃的實現(xiàn)算法，并且對種插補算法進行了仿真實驗。 ⑷根據(jù)六自由度機械臂的構(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。仿真工具把運動學(xué)和軌跡規(guī)劃算法融入了其中，有效地驗證了機械臂數(shù)學(xué)模型以及正、逆運動學(xué)求解過程的正確性，并且對四種軌跡規(guī)劃方法的效果做了直觀的比較。有效地解決了運動學(xué)和軌跡規(guī)劃分析