六自由度机械臂分布式控制系统的设计与研究

论文摘要

随着科学技术的发展和社会的进步，机器人的应用越来越普及，已逐渐渗透到工业生产和制造，日常生活及教育娱乐等各个领域。机械臂是机器人最主要的执行机构，具有时变、强耦合、非线性等特点。机械臂控制系统的设计问题不仅具有普遍的工程意义，还具有深入的理论意义。 本课题针对863计划“仿人形机器人技术与系统”项目中的六自由度机械臂，提出了基于RS-485总线的分布式控制器的解决方案。系统利用PC机作为监控主计算机，采用DSP实现各关节电机的位置控制，设计了分布式控制系统的通讯协议，实现了对各个电机的监控。采用Denavit-Hartenberg参数法建立了机械臂的运动学方程，推导出逆运动学的解析表达式。分别设计了机械臂末端关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划算法。在关节控制器DSP上实现了电机的位置和速度闭环控制，还对分布式控制系统进行了实验研究。 实验结果表明，六自由度机械臂运动学模型以及轨迹规划算法正确、可靠，分布式控制系统通过RS-485总线能够实时控制各关节电机稳定的运行，使其精确的追踪给定的轨迹，系统性能满足设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究及发展现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 六自由度机械臂的建模
• 2.1 正运动学模型的建立
• 2.1.1 机械臂构型分析
• 2.1.2 运动学参数的确定
• 2.1.3 正运动学方程
• 2.1.4 仿真与分析
• 2.2 逆运动学模型的建立
• 2.2.1 逆运动学方程
• 2.2.2 仿真与分析
• 2.3 工作空间分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 六自由度机械臂的轨迹规划算法
• 3.1 轨迹规划算法概述
• 3.2 关节空间的轨迹规划算法
• 3.2.1 三次多项式插值算法
• 3.2.2 五次多项式插值算法
• 3.3 笛卡尔空间的轨迹规划算法
• 3.3.1 空间直线轨迹规划算法
• 3.3.2 空间圆弧轨迹规划算法
• 3.4 本章小结
• 第4章 六自由度机械臂硬件系统设计
• 4.1 硬件系统总体设计
• 4.2 电机及其驱动器的选择
• 4.3 关节控制器硬件电路设计
• 4.3.1 DSP最小系统
• 4.3.2 电机驱动器的接口电路
• 4.3.3 增量式编码器信号处理电路
• 4.3.4 电源系统
• 4.3.5 霍尔接近开关电路
• 4.4 RS-485总线数据通信系统设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 六自由度机械臂软件系统设计
• 5.1 软件系统总体设计
• 5.2 RS-485总线数据通信协议设计
• 5.2.1 通信协议格式设计
• 5.2.2 通信指令及其应答信息设计
• 5.3 关节控制器软件设计
• 5.3.1 PID控制算法
• 5.3.2 关节控制器程序流程
• 5.4 上位机软件设计
• 5.4.1 关节绝对零位标定算法
• 5.4.2 用户界面和接口设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 控制系统实验
• 6.1 RS-485总线数据通信实验
• 6.2 关节控制器参数整定实验
• 6.3 关节角轨迹跟踪控制实验
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢