高精度五自由度机械臂的轨迹控制

论文摘要

用机器取代工人从而实现“无人”的自动化生产工厂一直是人类的研究目标,在工业生产中人们制造出种类繁多的工业机器人来代替工人进行加工、搬运等工作。本课题以高精度五自由度机械臂为研究核心,基于SCARA机械臂模型开发出一种针对某工厂特定生产工序的自动搬运机械臂,该机械臂可取代大量的现场工人,实现工厂生产的局部自动化。在实际生产中机械臂必须具备安全、稳定和高精度运行这三个指标,为了实现这三个指标,本文在多方面进行了研究:(1)对机械臂的机械结构进行探讨,分析各种机械结构的可行性并最终选定SCARA模型;(2)为了描述机械臂的姿态及末端抓手的空间位置,分别从关节坐标系和笛卡儿坐标系对机械臂的各个位置姿态进行了数学描述;(3)设计两种位置确定方式,分别为低精度示教模式和高精度探针探测计算模式,可以根据生产中精度要求不同而选择其中一种;(4)在机械臂搬运货物时,根据生产实际定义了实际抓放货物位、安全工作位等位置,并对机械臂在各个位置之间的运动进行分析,为各种运动轨迹分别设计插补算法。本文分别对直线、圆弧插补算法进行了深入的研究,通过设计特殊的算法将控制命令脉冲精度控制在0.5个脉冲之内;(5)调试实验用机械臂,根据实验所得各项数据对机械臂设计方案和控制算法进行进一步的优化。本文中研发的机械臂在后续的实验中证明了其快速、高精度的工作性能,可以很好的满足生产需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 相关领域国内外研究综述
• 1.2.1 国外机械臂研究回顾
• 1.2.2 国内机械臂研究回顾
• 1.3 重要研究方法回顾
• 1.3.1 坐标系之间的转换
• 1.3.2 轨迹插补
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 机械臂机械结构设计与运动控制器选型
• 2.1 引言
• 2.2 机械臂机械结构设计
• 2.2.1 机械臂总体机械结构设计方案
• 2.2.2 机械臂水平移动机械结构设计
• 2.2.3 机械臂垂直与旋转机械结构设计
• 2.2.4 机械臂末端夹具机械结构设计
• 2.3 运动控制器件选型
• 2.3.1 马达选型
• 2.3.2 控制器选型
• 2.4 本章小结
• 第3章 机械臂位置与姿态解算
• 3.1 引言
• 3.2 机械臂数学坐标系的建立
• 3.3 机械臂逆向运动解算
• 3.4 机械臂工作空间计算
• 3.4.1 可达工作空间
• 3.4.2 灵巧工作空间
• 3.4.3 危险工作空间
• 3.5 托盘空间位置计算
• 3.5.1 笛卡儿坐标系中直接确定
• 3.5.2 关节坐标系中确定
• 3.6 本章小结
• 第4章 机械臂运动轨迹分析
• 4.1 引言
• 4.2 运动轨迹分析
• 4.2.1 局部精确移动轨迹分析
• 4.2.2 大范围快速移动轨迹分析
• 4.2.3 避障分析
• 4.3 运动轨迹插补
• 4.3.1 水平直线和圆弧运动轨迹插补
• 4.3.2 空间斜线运动轨迹插补
• 4.4 执行运动轨迹
• 4.5 本章小结
• 第5章 机械臂控制程序设计
• 5.1 引言
• 5.2 控制程序设计
• 5.2.1 算法设计和数据结构处理
• 5.2.2 程序流程控制
• 5.3 样机调试
• 5.4 机械臂抖动分析及研究展望
• 5.4.1 机械臂抖动分析
• 5.4.2 研究展望
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢