七自由度机械臂控制系统设计与研究

发布时间：2017-10-08 17:09

  本文关键词：七自由度机械臂控制系统设计与研究

  更多相关文章： 运动学方程 牛顿迭代法 人机交互 通信

【摘要】：随着人工智能化和生产工业化发展,工业机器人和康复医疗机器人越来越普及,机械臂作为主要的执行机构,对重量、负载能力、灵活性,仿人运动,规避障碍,完成复杂任务等方面提出了更高的要求,因此七自由度机械臂控制系统的设计与研究成为该领域重要的研究方向。本文结合实验室的机械臂项目,研制七自由度机械臂控制系统平台,实现对七自由度机械臂的运动控制和路径规划。针对本文所研制的七自由度机械臂,设计一种基于CAN总线通讯的控制系统。通过Denavit-Hartenberg参数法构建机械臂的数学模型,推导正运动学公式,设计基于牛顿迭代法的逆解算法,解决逆运动学的数值解法多解性问题,获取最优解。在此基础上,在关节空间设计了三次插值和五次插值算法进行路径规划,实现对机械臂的点到点的运动控制；在笛卡尔空间,设计空间直线轨迹和空间圆弧轨迹规划算法,实现机械臂直线和圆弧运动。设计机械臂控制系统的硬件框架,包括微处理器系统电路和传感器模块电路设计、通讯总线与各元器件的选型。编写机械臂控制软件,包括PID控制器、人机交互软件和下位机角度获取模块程序,制定系统通信协议,实现用户对机械臂的各种操作和设置。为验证七自由度机械臂控制系统的性能满足设计要求,进行试验,第一,验证基于牛顿迭代法的逆解算法的准确性,对机械臂逆解结果进行分析测试。第二,在机械臂安装过程中,需要对安装的部件进行测试,以确保安装部件可以正常工作,当单个关节安装完毕时也需要进行测试,保证每安装新的关节之前系统是正常的。第三,对机械臂各关节尺寸进行标定实验,计算机械臂建模所需要的关节参数,为后续的误差优化处理做准备。第四,实现用户通过软件准确地控制机械臂,对系统的通讯进行测试,计算总线负载率,保证各关节可以正常通讯；对控制界面的各功能测试,保证每个按键实现其对应功能。第五,系统测试保证机械臂可以完成用户指定动作,设计多种动作,测试机械臂是否可以完成指定动作。第六,测试机械臂的精度和误差,设计机械臂运动路径点的坐标,测量实际坐标系所经过点的坐标,分析计算误差。
【关键词】：运动学方程 牛顿迭代法 人机交互 通信
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP241
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 研究目的和意义10-11
• 1.2 研究与发展现状11-15
• 1.2.1 国外机器人技术发展概况11-13
• 1.2.2 国内机器人技术发展概况13-15
• 1.3 论文组织结构15-18
• 第二章 七自由度机械臂模型18-30
• 2.1 正运动学模型的建立18-24
• 2.1.1 机械臂机构介绍18
• 2.1.2 机械臂的运动学基础18-20
• 2.1.3 正运动学方程20-22
• 2.1.4 仿真与分析22-24
• 2.2 逆运动学模型的建立24-26
• 2.2.1 逆运动学方程24-26
• 2.2.2 仿真与分析26
• 2.3 工作空间26-29
• 2.4 本章小结29-30
• 第三章 七自由度机械臂的路径规划30-42
• 3.1 路径规划算法概述30
• 3.2 关节空间的轨迹规划算法30-37
• 3.2.1 三次多项式插值算法31-33
• 3.2.2 五次多项式插值算法33-37
• 3.3 笛卡尔空间的轨迹规划算法37-40
• 3.3.1 空间直线轨迹规划算法37-39
• 3.3.2 空间圆弧轨迹规划算法39-40
• 3.4 本章小结40-42
• 第四章 七自由度机械臂硬件系统的设计42-52
• 4.1 硬件总体设计42-43
• 4.2 器件的选型43-47
• 4.2.1 微处理器43-44
• 4.2.2 传感器选型44-47
• 4.3 总线概要47-50
• 4.3.1 SPI总线47-48
• 4.3.2 CAN总线48-50
• 4.4 系统硬件电路设计50-51
• 4.4.1 STM32F103CBT6的最小系统50-51
• 4.4.2 ADXL345与SPI接口的通讯51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 七自由度机械臂控制系统软件设计52-68
• 5.1 控制软件设计52-54
• 5.1.1 PID控制器原理52
• 5.1.2 机械臂控制器原理52-53
• 5.1.3 PID算法原理53-54
• 5.2 上位机软件设计54-58
• 5.2.1 软件需求分析54
• 5.2.2 软件总架构54-55
• 5.2.3 界面设计55-56
• 5.2.4 MFC的消息机制56-58
• 5.3 通信协议介绍58-63
• 5.3.1 通信协议与标准58
• 5.3.2 CANopen的设备描述58-59
• 5.3.3 CANopen协议的通讯类型59-63
• 5.4 基于KDL的机械臂运动学控制系统软件设计63-64
• 5.5 角度传感器模块软件设计64-67
• 5.5.1 主程序64
• 5.5.2 SPI接口初始化程序64-65
• 5.5.3 ADXL345发送数据程序65-66
• 5.5.4 总流程图66-67
• 5.6 本章小结67-68
• 第六章 七自由度机械臂控制系统调试与实验68-84
• 6.1 概述68
• 6.2 硬件调试与实验68-72
• 6.2.1 关节连接调试与实验68-69
• 6.2.2 关节参数的标定69-72
• 6.3 PID控制器调试与实验72-73
• 6.4 软件调试与实验73-77
• 6.4.1 CAN通讯调试与实验73-74
• 6.4.2 CAN总线负载率74-75
• 6.4.3 MFC界面测试75-77
• 6.5 系统测试77-79
• 6.6 机械臂精度与误差实验79-82
• 6.6.1 电机转动精度与误差79-80
• 6.6.2 机械臂位置精度与误差80-82
• 6.6.3 机械臂重复定位精度82
• 6.7 本章小结82-84
• 第七章 总结与展望84-86
• 7.1 总结84
• 7.2 展望84-86
• 致谢86-88
• 参考文献88-92
• 作者简介92

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