基于PMAC控制器的开放式结构机器人的运动控制研究

论文摘要

机器人技术在各个行业都得到了广泛的应用,已经成为自动化生产的主要组成部分。计算机技术与控制方法的快速发展,大大拓展了机器人技术应用的灵活性,更是对控制系统的性能、系统的结构等多方面都产生了极为深刻的影响。机器人控制系统由封闭向开放转变成为一种趋势。本课题所研究的就是具有开放式结构的机器人以适应机器人控制系统的发展。本文首先介绍了机器人技术的国内外研究现状,针对目前机器人控制器的特点与存在的问题,提出了建立具有开放式结构的机器人控制系统,并详细分析了实现该控制系统所涉及的关键技术。在分析了开放式结构机器人的系统特点后,本文以目前应用广泛的PMAC（Programmable Multi-Axies Controller）作为控制器将其应用到开放式结构机器人的核心部分,在此基础上进行开放平台的硬件和软件方面的研究,最终实现系统的构成,并以PMAC自带的软件包在VC++开放平台下面开发控制软件,在完成全部的硬件安装后进行系统的设置和调试。建立基于D-H表示法的机器人正、逆运动学模型,推导了基于代数法的逆运动学方程的求解过程。分析了三次均匀B样条曲线的构造原理和特点,设计了基于B样条曲线的机器人关节空间轨迹规划算法,并比较了笛卡尔空间与关节空间轨迹规划的优缺点。然后在关节空间轨迹规划算法中比较多项式曲线和B样条曲线两种轨迹规划算法的优缺点,并最终确定轨迹规划的方法。通过Matlab软件,对轨迹规划算法和运动控制算法进行了仿真实验。仿真结果表明:本文所设计的轨迹规划算法,具有控制精度高,自适应能力强的特点。最终通过机械手臂的实际运动证明了开放式结构的可行性,并在本文的最后给出论文的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 机器人技术现状
• 1.3 机器人控制器的现状
• 1.3.1 机器人控制器类型
• 1.3.2 机器人控制器存在的问题
• 1.4 课题的研究任务
• 第2章 开放式结构机器人平台实现
• 2.1 系统的总体结构
• 2.2 开放式机器人的硬件平台
• 2.2.1 PMAC 作为控制核心的开放式特点
• 2.2.2 伺服系统
• 2.2.3 PMAC 与MINASA 伺服系统的连接
• 2.2.4 PMAC 与IPC 间的高速数据通讯
• 2.3 开放式机器人的软件平台
• 2.3.1 上位机程序的编写方法
• 2.3.2 下位机程序编写方法
• 2.4 系统调试
• 2.4.1 开环零漂调整
• 2.4.2 位置闭环PID 参数调整
• 2.4.3 安全功能
• 2.4.4 回零功能实现
• 2.5 软件平台的开发
• 2.5.1 人机界面模块
• 2.5.2 正逆运动学求解模块
• 2.6 小结
• 第3章 开放式结构机器人正逆运动学分析
• 3.1 机器人正运动学方程及求解
• 3.2 模块化机器人逆运动学方程及求解
• 3.2.1 几何法
• 3.2.2 代数法
• 3.3 机械手臂路径规划实例
• 3.3.1 正运动学求解
• 3.3.2 逆运动学求解
• 3.4 小结
• 第4章 开放式结构机器人轨迹规划分析
• 4.1 轨迹规划概念及一般问题
• 4.1.1 轨迹规划概念
• 4.1.2 轨迹规划一般问题
• 4.2 关节变量空间轨迹规划
• 4.2.1 插值算法的设计与选择原则
• 4.2.2 关节空间B 样条曲线轨迹规划数学模型
• 4.3 笛卡儿空间轨迹规划
• 4.4 课题轨迹规划的方法选型
• 4.4.1 笛卡儿空间轨迹规划与关节空间轨迹规划比较
• 4.4.2 关节空间轨迹规划方法的选择
• 4.5 小结
• 第5章 机械手臂轨迹规划的实现
• 5.1 轨迹规划的实现流程
• 5.2 轨迹规划的实现过程
• 5.2.1 选取两个示教点
• 5.2.2 求运动学逆解
• 5.2.3 求解型值点和B 样条曲线控制点
• 5.2.4 求解各关节B 样条曲线函数
• 5.2.5 拟合各关节B 样条曲线轨迹和速度曲线
• 5.2.6 机械臂末端运行轨迹仿真
• 5.3 PMAC 在线运动程序
• 5.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢