基于前臂运动的体感控制系统设计

发布时间：2017-08-18 04:26

  本文关键词：基于前臂运动的体感控制系统设计

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【摘要】：随着传感器技术的进步,基于体感技术的智能应用发展迅速,特别在智能机器人控制方面的应用技术取得了长足进步。本文设计了基于前臂运动的体感控制系统,系统以六自由度机械手臂作为控制载体,通过对前臂运动信息进行采集,并将采集的信息转化为六自由度机械手臂控制信号,从而实现人体前臂运动对六自由度机械手臂的体感控制。本文针对该系统进行了以下方面的研究。首先,本系统采用了模块化的系统硬件设计,由数据采集模块、主控制模块和机械手臂控制模块三部分构成硬件平台。数据采集模块由单片机作为协处理器控制下的惯性传感器集合构成,对人体前臂进行多结点运动状态信号采集,将采集到的多通道运动状态信号传输至由单片机为控制核心的主控制模块进行数据处理,同时将控制信号发送至机械手臂控制模块进行运动控制,以通过机械手臂模拟人体前臂的运动姿态。其次,本系统针对硬件平台模块分别设计了控制软件。数据采集模块控制软件用于协处理器采集各个惯性传感器的姿态数据并通过串口与主控制器进行通信。主控模块软件设计中,通过互补滤波算法对采集到的数据的进行滤波去噪,并利用基于三角函数的角度解算算法,将前臂姿态信息解算为控制机械手臂的转动角度,在此基础上,利用脉冲调制信号的求解算法,控制机械手臂的运动。最后,本文根据人体手臂的生理构造,对机械手臂进行建模,并对机械手臂进行运动仿真。在此基础上,对本体感控制系统进行系统实现和功能验证。通过实验分析和仿真结果对比,证明了本系统实现了通过前臂运动体感控制机械手臂的功能并具有较好的控制精度。
【关键词】：体感控制系统 前臂运动 滤波算法 惯性传感器 六自由度机械手臂 运动仿真
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP273
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 体感技术国内外研究现状11-13
• 1.2.2 工业机器人国内外研究现状13-14
• 1.3 本文的主要内容及组织结构14-16
• 第2章 系统硬件的设计与实现16-30
• 2.1 系统整体结构的设计16-18
• 2.2 数据采集模块的设计18-22
• 2.2.1 MPU6050模块介绍18-20
• 2.2.2 单片机最小系统设计20-22
• 2.3 主控制模块的设计22-24
• 2.4 六自由度机械手臂模块设计24-27
• 2.4.1 机械手臂的结构和工作原理24-25
• 2.4.2 舵机控制系统设计25-27
• 2.5 系统预算估计27-28
• 2.6 本章小结28-30
• 第3章 系统软件的研究与实现30-61
• 3.1 传感器数据的基本处理30-32
• 3.2 滤波算法的研究与实现32-44
• 3.2.1 互补滤波的原理和实验分析32-37
• 3.2.2 卡尔曼滤波的原理和实验分析37-42
• 3.2.3 滤波方法比较与选取42-44
• 3.3 角度求解算法的研究与实现44-53
• 3.3.1 基于加速度的角度求解算法45-48
• 3.3.2 基于四元数的角度求解算法48-53
• 3.3.3 角度求解算法的比较和选取53
• 3.4 机械手臂控制程序的设计与实现53-56
• 3.5 基于MATLAB的监测界面软件设计56-60
• 3.5.1 串口通信模块设计56-58
• 3.5.2 数据处理及绘图模块设计58-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第4章 实验以及结果分析61-75
• 4.1 六自由度机械手臂建模61-63
• 4.2 基于Robotics Toolbox的机械手臂仿真63-66
• 4.3 单个舵机功能测试实验66-68
• 4.4 机械手臂动作模拟实验68-74
• 4.5 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-79
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果79-80
• 致谢80

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1 崔鹏;基于前臂运动的体感控制系统设计[D];燕山大学;2016年

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本文编号：692688