本文關(guān)鍵詞：七自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

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【摘要】：隨著人工智能化和生產(chǎn)工業(yè)化發(fā)展,工業(yè)機器人和康復(fù)醫(yī)療機器人越來越普及,機械臂作為主要的執(zhí)行機構(gòu),對重量、負(fù)載能力、靈活性,仿人運動,規(guī)避障礙,完成復(fù)雜任務(wù)等方面提出了更高的要求,因此七自由度機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究成為該領(lǐng)域重要的研究方向。本文結(jié)合實驗室的機械臂項目,研制七自由度機械臂控制系統(tǒng)平臺,實現(xiàn)對七自由度機械臂的運動控制和路徑規(guī)劃。針對本文所研制的七自由度機械臂,設(shè)計一種基于CAN總線通訊的控制系統(tǒng)。通過Denavit-Hartenberg參數(shù)法構(gòu)建機械臂的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)正運動學(xué)公式,設(shè)計基于牛頓迭代法的逆解算法,解決逆運動學(xué)的數(shù)值解法多解性問題,獲取最優(yōu)解。在此基礎(chǔ)上,在關(guān)節(jié)空間設(shè)計了三次插值和五次插值算法進行路徑規(guī)劃,實現(xiàn)對機械臂的點到點的運動控制；在笛卡爾空間,設(shè)計空間直線軌跡和空間圓弧軌跡規(guī)劃算法,實現(xiàn)機械臂直線和圓弧運動。設(shè)計機械臂控制系統(tǒng)的硬件框架,包括微處理器系統(tǒng)電路和傳感器模塊電路設(shè)計、通訊總線與各元器件的選型。編寫機械臂控制軟件,包括PID控制器、人機交互軟件和下位機角度獲取模塊程序,制定系統(tǒng)通信協(xié)議,實現(xiàn)用戶對機械臂的各種操作和設(shè)置。為驗證七自由度機械臂控制系統(tǒng)的性能滿足設(shè)計要求,進行試驗,第一,驗證基于牛頓迭代法的逆解算法的準(zhǔn)確性,對機械臂逆解結(jié)果進行分析測試。第二,在機械臂安裝過程中,需要對安裝的部件進行測試,以確保安裝部件可以正常工作,當(dāng)單個關(guān)節(jié)安裝完畢時也需要進行測試,保證每安裝新的關(guān)節(jié)之前系統(tǒng)是正常的。第三,對機械臂各關(guān)節(jié)尺寸進行標(biāo)定實驗,計算機械臂建模所需要的關(guān)節(jié)參數(shù),為后續(xù)的誤差優(yōu)化處理做準(zhǔn)備。第四,實現(xiàn)用戶通過軟件準(zhǔn)確地控制機械臂,對系統(tǒng)的通訊進行測試,計算總線負(fù)載率,保證各關(guān)節(jié)可以正常通訊；對控制界面的各功能測試,保證每個按鍵實現(xiàn)其對應(yīng)功能。第五,系統(tǒng)測試保證機械臂可以完成用戶指定動作,設(shè)計多種動作,測試機械臂是否可以完成指定動作。第六,測試機械臂的精度和誤差,設(shè)計機械臂運動路徑點的坐標(biāo),測量實際坐標(biāo)系所經(jīng)過點的坐標(biāo),分析計算誤差。
【關(guān)鍵詞】：運動學(xué)方程 牛頓迭代法 人機交互 通信
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP241
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 研究目的和意義10-11
• 1.2 研究與發(fā)展現(xiàn)狀11-15
• 1.2.1 國外機器人技術(shù)發(fā)展概況11-13
• 1.2.2 國內(nèi)機器人技術(shù)發(fā)展概況13-15
• 1.3 論文組織結(jié)構(gòu)15-18
• 第二章 七自由度機械臂模型18-30
• 2.1 正運動學(xué)模型的建立18-24
• 2.1.1 機械臂機構(gòu)介紹18
• 2.1.2 機械臂的運動學(xué)基礎(chǔ)18-20
• 2.1.3 正運動學(xué)方程20-22
• 2.1.4 仿真與分析22-24
• 2.2 逆運動學(xué)模型的建立24-26
• 2.2.1 逆運動學(xué)方程24-26
• 2.2.2 仿真與分析26
• 2.3 工作空間26-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 第三章 七自由度機械臂的路徑規(guī)劃30-42
• 3.1 路徑規(guī)劃算法概述30
• 3.2 關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃算法30-37
• 3.2.1 三次多項式插值算法31-33
• 3.2.2 五次多項式插值算法33-37
• 3.3 笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃算法37-40
• 3.3.1 空間直線軌跡規(guī)劃算法37-39
• 3.3.2 空間圓弧軌跡規(guī)劃算法39-40
• 3.4 本章小結(jié)40-42
• 第四章 七自由度機械臂硬件系統(tǒng)的設(shè)計42-52
• 4.1 硬件總體設(shè)計42-43
• 4.2 器件的選型43-47
• 4.2.1 微處理器43-44
• 4.2.2 傳感器選型44-47
• 4.3 總線概要47-50
• 4.3.1 SPI總線47-48
• 4.3.2 CAN總線48-50
• 4.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計50-51
• 4.4.1 STM32F103CBT6的最小系統(tǒng)50-51
• 4.4.2 ADXL345與SPI接口的通訊51
• 4.5 本章小結(jié)51-52
• 第五章 七自由度機械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計52-68
• 5.1 控制軟件設(shè)計52-54
• 5.1.1 PID控制器原理52
• 5.1.2 機械臂控制器原理52-53
• 5.1.3 PID算法原理53-54
• 5.2 上位機軟件設(shè)計54-58
• 5.2.1 軟件需求分析54
• 5.2.2 軟件總架構(gòu)54-55
• 5.2.3 界面設(shè)計55-56
• 5.2.4 MFC的消息機制56-58
• 5.3 通信協(xié)議介紹58-63
• 5.3.1 通信協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)58
• 5.3.2 CANopen的設(shè)備描述58-59
• 5.3.3 CANopen協(xié)議的通訊類型59-63
• 5.4 基于KDL的機械臂運動學(xué)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計63-64
• 5.5 角度傳感器模塊軟件設(shè)計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發(fā)送數(shù)據(jù)程序65-66
• 5.5.4 總流程圖66-67
• 5.6 本章小結(jié)67-68
• 第六章 七自由度機械臂控制系統(tǒng)調(diào)試與實驗68-84
• 6.1 概述68
• 6.2 硬件調(diào)試與實驗68-72
• 6.2.1 關(guān)節(jié)連接調(diào)試與實驗68-69
• 6.2.2 關(guān)節(jié)參數(shù)的標(biāo)定69-72
• 6.3 PID控制器調(diào)試與實驗72-73
• 6.4 軟件調(diào)試與實驗73-77
• 6.4.1 CAN通訊調(diào)試與實驗73-74
• 6.4.2 CAN總線負(fù)載率74-75
• 6.4.3 MFC界面測試75-77
• 6.5 系統(tǒng)測試77-79
• 6.6 機械臂精度與誤差實驗79-82
• 6.6.1 電機轉(zhuǎn)動精度與誤差79-80
• 6.6.2 機械臂位置精度與誤差80-82
• 6.6.3 機械臂重復(fù)定位精度82
• 6.7 本章小結(jié)82-84
• 第七章 總結(jié)與展望84-86
• 7.1 總結(jié)84
• 7.2 展望84-86
• 致謝86-88
• 參考文獻88-92
• 作者簡介92

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