三自由度机械手控制系统的设计

论文摘要

本文的研究对象是自主研发设计的果树采摘机器人,它是由三自由度机械手固定在可万向移动的小车上构成的一类特殊的移动机器人系统。其中,机械手的设计与控制是果树采摘机器人最关键的部分。针对自主设计的三自由度机械手,本文主要进行了数学模型的搭建、控制器的设计及仿真及下位机软、硬件系统的设计与开发。主要内容如下：首先,在数学模型的搭建上,分析了三自由度机械手的机械结构,运用D-H法建立了机械手的正向运动学和逆向运动学模型,并在关节空间上对机械手进行了基于多项式插值方式的运动轨迹规划。根据机械手各关节间的力学关系,分别运用拉格朗日法和牛顿-欧拉法建立了其动力学模型。其次,在控制器的分析与设计上,为了能够充分利用所建立的数学模型,并能够最大限度地克服由于机械臂模型本身的不确定性所引起的干扰,在通过对各种控制方案分析的基础上,设计了基于模糊补偿的机械臂轨迹跟踪自适应控制器。通过MATLAB仿真表明采用一定规则的模糊逻辑系统能够很好地补偿机械臂的不确定性,机械臂能够取得很好的控制效果。最后,介绍了三自由度机械手的下位机控制系统的硬件设计及软件开发。硬件系统由控制系统和驱动系统两个子系统组成,其中控制系统的开发包括：电源模块、处理器模块、无线通讯模块、USB通讯模块、限位模块、接口模块等功能模块的开发,驱动系统的开发包括：驱动芯片的选型及C8051F021芯片与驱动系统的接口设计等。软件系统主要是指底层软件程序,底层软件程序是实现硬件系统功能的保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 机械手的发展概况
• 1.2.1 研究现状及分类
• 1.2.2 发展趋势
• 1.3 机械手的动态控制方法概述
• 1.3.1 现代控制方法
• 1.3.2 智能控制方法
• 1.3.3 模糊控制理论概述
• 1.4 本文主要的研究工作
• 第2章 机械手的运动学模型
• 2.1 数学基础
• 2.1.1 刚体的位姿表示
• 2.1.2 坐标变换
• 2.1.3 连杆
• 2.2 机械手的运动学方程
• 2.2.1 正向运动学方程
• 2.2.2 逆向运动学方程
• 2.3 机械手的轨迹规划
• 2.3.1 多项式插值
• 2.3.2 基于Robotics Toolbox的机械手轨迹规划的仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 机械手的动力学模型
• 3.1 动力学建模方法的比较和分析
• 3.2 拉格朗日法
• 3.2.1 数学基础
• 3.2.2 动力学方程
• 3.2.3 两自由度机械臂动力学方程
• 3.3 牛顿-欧拉法
• 3.3.1 转动坐标系和平移坐标系
• 3.3.2 递归动力学方程
• 3.3.3 两自由度机械臂动力学方程
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于模糊补偿的机械臂自适应控制
• 4.1 模糊系统的基础知识
• 4.1.1 模糊集合
• 4.1.2 模糊关系
• 4.1.3 模糊蕴涵关系
• 4.1.4 模糊逻辑系统的逼近理论
• 4.2 基于模糊补偿的自适应控制器的设计
• 4.2.1 简单自适应律
• 4.2.2 鲁棒自适应律
• 4.2.3 模糊补偿控制
• 4.3 两自由度机械臂轨迹跟踪控制的MATLAB仿真
• 4.3.1 基于摩擦模糊补偿的仿真
• 4.3.2 基于外加干扰模糊补偿的仿真
• 4.3.3 基于摩擦、外加干扰和负载变化模糊补偿的仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 下位机控制系统的硬件和软件设计
• 5.1 机械手控制系统总体方案设计
• 5.2 下位机控制系统的硬件设计
• 5.2.1 单片机最小系统设计
• 5.2.2 机械手的运动控制电路
• 5.3 下位机控制系统的软件设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢