三环控制机器人集成关节及两自由度轻量型机器人研究

发布时间：2017-05-02 05:01

  本文关键词：三环控制机器人集成关节及两自由度轻量型机器人研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统工业机器人虽然依然广泛应用在工业制造领域,但却无法满足人们在生产、生活、娱乐、医疗和服务等方面的更高需求,人们需要更为轻便、更为集成、更为智能的机器人,并要求机器人能够安全的与人协作。基于集成关节的轻量型机器人将驱控电路板和各类传感器集成于机器人本体内部,同时结构设计上更为紧凑和轻便,基于多传感器融合的力矩控制、神经网络控制和机器学习等控制方法也使得机器人更为智能化和更具安全性,能够完成复杂的任务以及与人安全协作。但一方面现有集成关节轻量型机器人一般只集成了力矩传感器和位置传感器,实现的智能控制有限;另一方面现有的集成关节轻量型机器人内部所使用的都是昂贵的绝对式编码器以及力矩传感器,这大大增加了机器人的成本。本文的主要工作就是完成集成关节样机的研发,并提出使用六相增量式编码器及Flash写入的方法实现机器人关节绝对位置信息的获取,一定程度上降低机器人成本;另外完成两自由度轻量机器人样机研发并实现简单的电脑端上位机控制。以本文研发的样机为基础,希望在后续工作中在机器人关节中集成更多的传感器,实现机器人智能控制。本文分析了现有的集成关节轻量型机器人产品的结构参数、性能参数和电气参数等,确定了本文需要研发的集成关节的结构参数、性能参数和电气参数。根据分析得到的参数进行集成关节结构设计、永磁同步电机(PMSM)设计以及驱动板和控制板的电路设计。在研制的集成关节样机上进行了PMSM矢量控制的研究,采用了电流环、速度环和位置环的三环控制策略,并对每个环路进行了实验和结果分析;其中的位置环增加了前馈控制器,并在实验中对比了有无前馈控制器时的位置控制效果。针对增量式编码器无法在上电时获取关节绝对位置信息这一问题,提出了采用六相增量式编码器以及DSP中的Flash写入的方法。该方法实现了集成关节最小的小区间初始化,并用实验结果验证了方法的有效性和准确性。PC端基于MFC编写了上位机可视化界面,通过RS232总线通信方式控制组装起来的两自由度集成关节机器人样机。本文设计研发的集成关节样机采用了模块化的设计思想,永磁同步电机根据关节结构设计并嵌于关节中成一体,驱动板和控制板也集成于关节内部,关节结构上采用了中空结构便于走线;采用了增量式编码器并使用了小区间初始化的方案获取关节绝对位置。研制的两自由度轻量型机器人样机结构紧凑,组装方便。
【关键词】：集成关节 轻量型机器人 矢量控制 小区间初始化 机器人控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义9-11
• 1.1.1 课题研究背景9-11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 德国宇航中心（DLR）轻量型机器人11-12
• 1.2.2 德国KUKA公司轻量化机器人12
• 1.2.3 德国SCHUNK公司轻量型机械臂12-13
• 1.2.4 丹麦UNIVERSAL ROBOTS轻量型机器人13-14
• 1.2.5 国内研究现状14-15
• 1.3 基于集成关节的轻量型机器人技术总结15-17
• 1.3.1 机械结构15-16
• 1.3.2 电气结构16
• 1.3.3 关节电机及电机控制16-17
• 1.4 研究的目的和意义17-18
• 1.5 本文主要研究内容18-19
• 第2章 机器人机电一体化设计19-33
• 2.1 机器人机械结构参数分析19-21
• 2.2 永磁同步电机分析设计21-30
• 2.2.1 电机拖动与设计基础21-25
• 2.2.2 永磁同步电机参数分析25-26
• 2.2.3 永磁同步电机设计流程及结果26-30
• 2.3 集成关节结构设计30-31
• 2.4 两自由度轻量型机器人结构设计31-32
• 2.5 本章小结32-33
• 第3章 机器人控制系统硬件设计与实现33-40
• 3.1 机器人控制系统硬件框架33
• 3.2 系统电源电路33-34
• 3.3 DSP控制电路34-36
• 3.4 功率驱动电路及过流保护电路36-37
• 3.5 电流采样电路37
• 3.6 编码器电路37-38
• 3.7 串.通信电路38
• 3.8 控制系统电路硬件实物38-39
• 3.9 本章小结39-40
• 第4章 集成关节控制方案与实验40-64
• 4.1 电流环控制及实验40-48
• 4.1.1 电流环控制策略与实现40-44
• 4.1.2 电流环实验与结果分析44-48
• 4.2 速度环控制与实验48-53
• 4.2.1 速度环控制策略与实现48-50
• 4.2.2 速度环控制实验与结果分析50-53
• 4.3 位置环控制与实验53-58
• 4.3.1 位置环控制策略与实现53-56
• 4.3.2 位置环控制实验与结果分析56-58
• 4.4 基于增量式编码器的集成关节小区间初始化方案58-63
• 4.4.1 小区间初始化方案原理58-61
• 4.4.2 小区间初始化实验与结果分析61-63
• 4.5 本章小结63-64
• 第5章 2-DOF机器人控制64-69
• 5.1 2-DOF机器人结构64-65
• 5.2 通信方式65
• 5.3 PC端上位机65-66
• 5.4 上位机控制实验66-68
• 5.5 本章小结68-69
• 第6章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-71
• 参考文献71-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果76-78
• 致谢78

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本文编号：340290