一种机械臂的非线性控制
发布时间：2022-02-20 23:28
工业机器人是支撑现代工业发展的重要工具,在自动化装配、自动焊接、物流搬运、医疗卫生等领域发挥着巨大的作用。如何提高机械臂的控制精度和借助机械臂解决工程实际问题一直是社会研究的热点。本文针对工业机器人中常见的一款六自由度机械臂,在结构分析、控制算法设计和开发应用等方面展开了一系列研究。首先针对UR10协作式机械臂,利用D-H法分析其运动学模型,并验证了模型的正确性;借助Robotics Toolbox工具箱,对其进行了蒙特卡洛分析。接着,针对两点间存在障碍物的工作环境,基于遗传算法设计了一种机械臂轨迹优化算法。该算法以运动时间最短和各关节转动角度最小为优化目标,借助MATLAB仿真验证了算法的有效性。在对UR10机械臂研究的基础上,为了更好地掌握机械臂设计及控制的关键技术,仿照UR10机械臂的运动关节,设计了一款单关节调试系统,搭建了测控系统平台,并设计了关节控制器,实现了机械臂关节精准的速度、位置、电流控制;利用拉格朗日法建立了UR10机械臂前两个关节的动力学模型,并设计了滑模控制器,提高了机械臂的轨迹跟踪性能。之后,针对颅骨穿刺手术的需求,在UR10机械臂第六轴上,设计了末端夹持机构...
【文章来源】：北京邮电大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 相关技术国内外研究现状
1.2.1 工业机械臂国内外研究现状
1.2.2 机械臂控制器国内外研究现状
1.2.3 智能控制算法在机械臂控制中的应用
1.3 论文主要研究内容及论文组织结构
1.3.1 论文主要研究内容
1.3.2 论文组织框架
第二章 UR10机械臂的运动学模型建立及验证
2.1 引言
2.2 相关技术介绍
2.2.1 研究对象介绍
2.2.2 机器人示教器与虚拟机
2.2.3 D-H法建立机械臂运动学模型
2.3 运动学正解
2.3.1 连杆坐标系建立原则
2.3.2 连杆参数确定
2.3.3 运动学正解模型
2.4 运动学逆解
2.5 运动学模型验证
2.6 UR10机械臂工作空间分析
2.6.1 Robotics Toolbox工具箱介绍
2.6.2 UR10机械臂工作空间分析
2.7 本章小结
第三章 基于遗传算法的轨迹优化算法设计与仿真
3.1 引言
3.2 轨迹规划方法、优化参数确定
3.2.1 轨迹规划常用方法介绍
3.2.2 四次-五次多项式插值方法
3.2.3 待优化参数确定
3.3 遗传算法设计
3.4 MATLAB仿真及分析
3.4.1 未经过优化的路径选择
3.4.2 轨迹优化算法仿真分析
3.5 本章小结
第四章 机械臂关节运动控制
4.1 引言
4.2 机械臂关节控制系统搭建
4.2.1 机械臂单关节设计
4.2.2 关节控制系统搭建
4.3 速度模式、速度位置模式驱动程序设计
4.3.1 三闭环控制系统
4.3.2 速度模式程序设计
4.3.3 速度位置模式程序设计
4.4 上位机联合调试
4.5 动力学模型建立
4.6 滑模控制器设计及仿真
4.6.1 滑模控制器设计
4.6.2 运动仿真
4.7 本章小结
第五章 机械臂末端夹持机构设计及运动控制
5.1 引言
5.2 UR10机械臂末端结构设计
5.2.1 UR10机械臂末端夹持机构整体结构
5.2.2 钻头旋转夹持机构设计
5.2.3 推进机构设计
5.2.4 UR10机械臂末端夹持机构新型改进结构
5.3 末端夹持机构测控系统搭建
5.3.1 测控系统整体框架
5.3.2 主控制器
5.3.3 直流电机驱动器
5.3.4 位置传感器
5.4 末端夹持机构控制程序设计及功能调试
5.4.1 下位机控制程序设计
5.4.2 基于Qt的上位机界面设计
5.4.3 机械臂末端测控系统联合调试
5.5 末端夹持机构后期优化
5.5.1 两版机械臂末端结构缺陷分析
5.5.2 机械臂末端结构优化
5.6 本章小结
第六章 六自由度机械臂在医疗领域的应用
6.1 引言
6.2 机器人硬件平台及实验场景介绍
6.3 颅骨穿刺实验流程及关键技术
6.3.1 穿刺手术常见流程
6.3.2 穿刺平台工作流程及关键技术介绍
6.4 基于Qt+Slicer+VTK的颅骨穿刺集成控制系统
6.4.1 开发环境搭建
6.4.2 上位机通信模块设计
6.4.3 机械臂路径生成及筛选方案
6.4.4 基于VTK的机械臂3D造型展示
6.5 平台软硬件调试
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业机器人的应用现状及发展趋势[J]. 曹泓浩. 科技风. 2019(05)
[2]工业机器人的应用现状及发展分析[J]. 王会永,邢力,李向男,王彬,李浩天. 机电技术. 2018(06)
[3]模拟退火遗传算法在机械臂路径规划中的应用[J]. 宗玉杰,崔建伟. 测控技术. 2018(03)
[4]关节型工业机器人轨迹规划研究综述[J]. 李黎,尚俊云,冯艳丽,淮亚文. 计算机工程与应用. 2018(05)
[5]基于深度Q学习的工业机械臂路径规划方法[J]. 王曌,胡立生. 化工自动化及仪表. 2018(02)
[6]串联机械臂运动控制系统设计[J]. 杨广泽,马晓明. 电子科技. 2016(03)
[7]工业机器人在制造业中的应用和发展[J]. 王海霞,李志宏,吴清锋. 机电工程技术. 2015(10)
[8]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[9]基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法[J]. 夏红伟,翟彦斌,马广程,邓雅,王常虹. 中国惯性技术学报. 2014(02)
[10]中国工业机器人发展的若干问题[J]. 蔡自兴,郭璠. 机器人技术与应用. 2013(03)
博士论文
[1]空间大型机械臂关节控制系统及轨迹规划研究[D]. 郭闯强.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]七自由度冗余空间机械臂多目标轨迹规划研究[D]. 李鹏浩.哈尔滨工业大学 2018
[2]六轴机器人控制器底层软件设计及其算法仿真研究[D]. 郭小羽.深圳大学 2017
[3]基于运动学模型的机械臂迭代学习控制[D]. 林清钊.浙江大学 2017
[4]基于SERCOS Ⅲ的工业机器人嵌入式控制器设计与开发[D]. 曲志兵.东南大学 2016
[5]基于Cortex-M4与FPGA的运动控制卡开发[D]. 刘同.北方工业大学 2015
[6]一种六轴工业机器人及多轴联动控制系统的研究[D]. 华磊.华南理工大学 2014
[7]基于PMAC的工业机器人控制系统研究与实现[D]. 兰文宝.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3636022
【文章来源】：北京邮电大学北京市211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 相关技术国内外研究现状
1.2.1 工业机械臂国内外研究现状
1.2.2 机械臂控制器国内外研究现状
1.2.3 智能控制算法在机械臂控制中的应用
1.3 论文主要研究内容及论文组织结构
1.3.1 论文主要研究内容
1.3.2 论文组织框架
第二章 UR10机械臂的运动学模型建立及验证
2.1 引言
2.2 相关技术介绍
2.2.1 研究对象介绍
2.2.2 机器人示教器与虚拟机
2.2.3 D-H法建立机械臂运动学模型
2.3 运动学正解
2.3.1 连杆坐标系建立原则
2.3.2 连杆参数确定
2.3.3 运动学正解模型
2.4 运动学逆解
2.5 运动学模型验证
2.6 UR10机械臂工作空间分析
2.6.1 Robotics Toolbox工具箱介绍
2.6.2 UR10机械臂工作空间分析
2.7 本章小结
第三章 基于遗传算法的轨迹优化算法设计与仿真
3.1 引言
3.2 轨迹规划方法、优化参数确定
3.2.1 轨迹规划常用方法介绍
3.2.2 四次-五次多项式插值方法
3.2.3 待优化参数确定
3.3 遗传算法设计
3.4 MATLAB仿真及分析
3.4.1 未经过优化的路径选择
3.4.2 轨迹优化算法仿真分析
3.5 本章小结
第四章 机械臂关节运动控制
4.1 引言
4.2 机械臂关节控制系统搭建
4.2.1 机械臂单关节设计
4.2.2 关节控制系统搭建
4.3 速度模式、速度位置模式驱动程序设计
4.3.1 三闭环控制系统
4.3.2 速度模式程序设计
4.3.3 速度位置模式程序设计
4.4 上位机联合调试
4.5 动力学模型建立
4.6 滑模控制器设计及仿真
4.6.1 滑模控制器设计
4.6.2 运动仿真
4.7 本章小结
第五章 机械臂末端夹持机构设计及运动控制
5.1 引言
5.2 UR10机械臂末端结构设计
5.2.1 UR10机械臂末端夹持机构整体结构
5.2.2 钻头旋转夹持机构设计
5.2.3 推进机构设计
5.2.4 UR10机械臂末端夹持机构新型改进结构
5.3 末端夹持机构测控系统搭建
5.3.1 测控系统整体框架
5.3.2 主控制器
5.3.3 直流电机驱动器
5.3.4 位置传感器
5.4 末端夹持机构控制程序设计及功能调试
5.4.1 下位机控制程序设计
5.4.2 基于Qt的上位机界面设计
5.4.3 机械臂末端测控系统联合调试
5.5 末端夹持机构后期优化
5.5.1 两版机械臂末端结构缺陷分析
5.5.2 机械臂末端结构优化
5.6 本章小结
第六章 六自由度机械臂在医疗领域的应用
6.1 引言
6.2 机器人硬件平台及实验场景介绍
6.3 颅骨穿刺实验流程及关键技术
6.3.1 穿刺手术常见流程
6.3.2 穿刺平台工作流程及关键技术介绍
6.4 基于Qt+Slicer+VTK的颅骨穿刺集成控制系统
6.4.1 开发环境搭建
6.4.2 上位机通信模块设计
6.4.3 机械臂路径生成及筛选方案
6.4.4 基于VTK的机械臂3D造型展示
6.5 平台软硬件调试
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 总结
7.2 展望
参考文献
致谢
攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]工业机器人的应用现状及发展趋势[J]. 曹泓浩. 科技风. 2019(05)
[2]工业机器人的应用现状及发展分析[J]. 王会永,邢力,李向男,王彬,李浩天. 机电技术. 2018(06)
[3]模拟退火遗传算法在机械臂路径规划中的应用[J]. 宗玉杰,崔建伟. 测控技术. 2018(03)
[4]关节型工业机器人轨迹规划研究综述[J]. 李黎,尚俊云,冯艳丽,淮亚文. 计算机工程与应用. 2018(05)
[5]基于深度Q学习的工业机械臂路径规划方法[J]. 王曌,胡立生. 化工自动化及仪表. 2018(02)
[6]串联机械臂运动控制系统设计[J]. 杨广泽,马晓明. 电子科技. 2016(03)
[7]工业机器人在制造业中的应用和发展[J]. 王海霞,李志宏,吴清锋. 机电工程技术. 2015(10)
[8]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[9]基于混沌粒子群优化算法的空间机械臂轨迹规划算法[J]. 夏红伟,翟彦斌,马广程,邓雅,王常虹. 中国惯性技术学报. 2014(02)
[10]中国工业机器人发展的若干问题[J]. 蔡自兴,郭璠. 机器人技术与应用. 2013(03)
博士论文
[1]空间大型机械臂关节控制系统及轨迹规划研究[D]. 郭闯强.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]七自由度冗余空间机械臂多目标轨迹规划研究[D]. 李鹏浩.哈尔滨工业大学 2018
[2]六轴机器人控制器底层软件设计及其算法仿真研究[D]. 郭小羽.深圳大学 2017
[3]基于运动学模型的机械臂迭代学习控制[D]. 林清钊.浙江大学 2017
[4]基于SERCOS Ⅲ的工业机器人嵌入式控制器设计与开发[D]. 曲志兵.东南大学 2016
[5]基于Cortex-M4与FPGA的运动控制卡开发[D]. 刘同.北方工业大学 2015
[6]一种六轴工业机器人及多轴联动控制系统的研究[D]. 华磊.华南理工大学 2014
[7]基于PMAC的工业机器人控制系统研究与实现[D]. 兰文宝.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3636022
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3636022.html
