七自由度机械臂控制系统设计

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针对本文所研制的走 自 由度机械臂 , 设计 一种基于 CAN 总线通讯 的控 制系 统 。 通   过 D enav i t-Har tenber g 参数法构建机械臂的数学模型 , 推导正运动学 公式 , 设计基于牛   顿迭代法 的逆解算法 , 解决逆运动学 的数值解法多解性 问题 , 获取最优解 。 在此基础 上 ,   在 关节 空 间设计 了 H次插值和五 次插值算法进行路径规划 , 实现对机械臂 的 点到 点 的运   动控制 ; 在 笛卡 尔空 间 , 设计空间直 线轨迹和空 间 圆 弧轨迹规划算法 , 实现机械臂直线   和 圆弧运动 。 设计机械臂控制
DESIGN AND RESEARCH OF SEVEN DOF MANIPULATOR CONTROL SYSTEM a Dissertation submitted to Southeast university For the Academic Degree of Master of Engineering BY LI Chengcheng Supervised by Prof cui Jian-wei School of Instrument Science and Engineering Southeast University Jun 2016 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果, 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名:至日期:2016,6 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括以电子信息形式刊登 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权东南大 学研究生院办理 研究生签名: 导师签名 日期: 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 摘要 摘要 随着人工智能化和生产工业化发展,工业机器人和康复医疗机器人越来越普及,机 械臂作为主要的执行机构,对重量、负载能力、灵活性,仿人运动,规避障碍,完成复 杂任务等方面提出了更高的要求,因此七自由度机械臂控制系统的设计与研究成为该领 域重要的研究方向。本文结合实验室的机槭臂项目,研制七自由度机械臂控制系统平台, 实现对七自由度机械臂的运动控制和路径规划。 针对本文所研制的七自由度机械臂,设计一种基于CAN总线通讯的控制系统。通 过 Denavit-Hartenberg参数法构建机械臂的数学模型,推导正运动学公式,设计基于牛 顿迭代法的逆解算法,解决逆运动学的数值解法多解性问题,获取最优解。在此基础上, 在关节空间设计了三次插值和五次插值算法进行路径规划,实现对机械臂的点到点的运 动控制;在笛卡尔空间,设计空间直线轨迹和空间圆弧轨迹规划算法,实现机械臂直线 和圆弧运动。设计机械臂控制系统的硬件框架,包括微处理器系统电路和传感器模块电 路设计、通讯总线与各元器件的选型。编写机械臂控制软件,包括PD控制器、人机交 互软件和下位机角度获取模块程序,制定系统通信协议,实现用户对机械臂的各种操作 和设置。 为验证七自由度机械臂控制系统的性能满足设计要求,进行试验,第一,验证基于 牛顿迭代法的逆解算法的准确性,对机械臂逆解结果进行分析测试。第二,在机械臂安 装过程中,需要对安装的部件进行测试,以确保安装部件可以正常工作,当单个关节安 装完毕时也需要进行测试,保证每安装新的关节之前系统是正常的。第三,对机械臂各 关节尺寸进行标定实验,计算机械臂建模所需要的关节参数,为后续的误差优化处理做 准备。第四,实现用户通过软件准确地控制机械臂,对系统的通讯进行测试,计算总线 负载率,保证各关节可以正常通讯;对控制界面的各功能测试,保证每个按键实现其对 应功能。第五,系统测试保证机械臂可以完成用户指定动作,设计多种动作,测试机械 臂是否可以完成指定动作。第六,测试机械臂的精度和误差,设计机械臂运动路径点的 坐标,测量实际坐标系所经过点的坐标,分析计算误差。 关键词:运动学方程,牛顿迭代法,人机交互,通信 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net Abstract Abstract With the development of artificial intelligence and industrial production industrial robots and rehabilitation robots is becoming more and more popular, manipulator as the main moving mechanism, the Multi-DOF manipulator in humanoid motion ,obstacle avoidance, weight, load capacity, flexibility and completeing complex tasks become a much important research area. In this paper, on the basis of the laboratory project named manipulator, seven DOF manipulator control system was designed and developed, which can realize to the seven degrees of freedom mechanical arm motion control and path planning Seven DOF manipulator control system was designed in this paper, which based on distributed can bus solution. Firstly, manipulator kinematics model was framed by Denavit-Hartenberg parameters method, forward kinematics was derived, since the numerical solution of inverse kinematics has more solutions, Newton iterative method was designed for selecting the optimal solution. On this basis, the difference of five and times was designed in the joint space, in Cartesian space, space straight and a circular path planning algorithm are designed. In the next, hardware design, control circuit and bus systems were detailed introduced, Software control system focuses on the host computer software system, angle sensor system, communication protocol In order to verify the performance of seven dOF manipulator's control system, a large number of tests have been done. first to verify the accuracy of the inverse solution based Newton iteration algorithm the test results of manipulator's inverse solution were analyzed Second, during the arm installation process, the components that installed to be tested to ensure that components work correctly, when a single joint is installed, it also need to be tested for ensure that systcm is normal before cach installation of a ncw joint. third the sizc of each joint manipulator were calibrated, joint manipulator modeling parameters was calculate, which was prepared for optimize the process of subsequent error Fourth, to achieve controling the robotic arm by software accurately, communications systems was tested to ensure that the joint can be normal communication control interface of each functional were tested, which ensure each key to achieve its corresponding function. Fifth, system tcsting can be done to ensure that the user specifies arm action, a variety of actions were designed to test whether the robot arm can be completed Sixth, to test the accuracy of the robotic arm and error, compareing coordinate of point in arm motion path that designed with the point in the actual coordinates of the coordinates analysis and calculation errors Keywords: kinematics model, Newton iterative, Human-computer interaction communication ll 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 目录 目录 摘要 Abstract 即身鲁非息自即Dp看鲁。垂D 香影·非静 II 目录 第一章绪论 11研究目的和意义 12研究与发展现状 ··“中中守你中中命中宁中中卡中中如物市中响物中中中·中中 121国外机器人技术发展概况 122国内机器人技术发展概况… 13论文组织结构 咽鲁·。春要布命西击命省香在唱由香由山西山命备是d 第二章七自由度机械臂模型 21正运动学模型的建立 211机械臂机构介绍 2469999 串中非 212机械臂的运动学基础 香身p带非要节甲p节中要即中司零中甲 213正运动学方程 214仿真与分析 自自自备自。自香自日鲁西面品西函酯 13 22逆运动学模型的建立 15 221逆运动学方程… 15 222仿真与分析… 哪即非非鲁昏是●要●息看口非●。 2.3工作空间 pD.要看音q看香●罪单。要p日带菲罪争。命带甲事专甲中号面省b盲号看 看看看s卓d·中q普。看骨非●导雪看鲁学争申·咖命章看“后看。布唱DP唱看看音带春 24本章小结 第三章七自由度机械臂的路径规划 21 31路径规划算法概述 21 32关节空间的轨迹规划算法…1 321三次多项式插值算法 322五次多项式插值算法 唱申要p如中命中中命4中由 24 33笛卡尔空间的轨迹规划算法 331空间直线轨迹规划算法 332空间圆弧轨迹规划算法… 880 34本章小结… 3 第四章七自由度机械臂硬件系统的设计 33 41硬件总体设计 33 4.2器件的选型 4.2.1徽处理器 42.2传慼器选型 ,35 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 东南大学硕士学位论文 4.3总线概要 4.3.1SPI总线 38 432CAN总线 39 44系统硬件电路设计∴…… 441STM32F103CBT6的最小系统 41 442ADXL345与SPI接凵的通讯 +·,,w==s 42 4.5本章小结… 第五章七自由度机械臂控制系统软件设计… 511控制软件设计. 43 5.!.1PID控制器原理 51.2机械臂控制器原理. q·4●· 5.1.3PID算法原理 44 52上位机软件设计 45 521软件需求分析 45 522软件总架构 :.:: ..:··· 523界面设计 524MFC的消息机制 47 53通信协议介绍 49 53.1通信协议与标准 532 CANopen的设备描述 49 533 CANopen协议的通讯类型 50 54基于KDL的机械臂运动学控制系统软件设计 54 55角度传感器模块软件设计∴… .55 551主程序 中+.中.,.。...,,.4 552SP接口初始化程序 553ADXL345发送数据程序 554总流程图… 56本章小结 第六章七自由度机械臂控制系统调试与实验. 61概述. 6,2硬件调试与实验 62.1关节连接调试与实验… 622关节参数的标定 6.3PID控制器调试与实验 63 64软件调试与实验 64 64.1CAN通讯调试与实验 64 642CAN总线负载率 65 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 目录 643MFC界面测试, 鲁着看 65系统测试 e命 6.6机械臂精度与误差实验 70 661电机转动精度与误差… 6.2机械臂位置精度与误差 71 663机械臂重复定位精度 73 67本章小结… 173 第七章总结与展望… 群节矿··· 75 7.1总结…11 7: 72展望 75 致谢 自4画画m 77 参考文献 作者简介 VII 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net 第一章绪论 第一章绪论 11研究目的和意义 随着经济的发展和科技的巨大进步,人民生活水平和质量得到了极大的改善,工业 生产力得到很大提高,因此对于智能化生活和工业化生产有了更高的要求,20世纪80 年代,工业机器人技术逐渐成熟,在工业化生产的焊接、搬运、装配、检测等方面起到 重大作用,不断的渗透到机械加工,电子电器,食品安全和生活服务等领域,提高了人 类的生活质量 机械臂是机器人抓取和移动工件等动作的执行装置,以人类手臂作为仿生原型进行 关节自由度的设计,人体手臂主要有肩关节、肘关节和腕关节构成,如图1-1所示,肩 关节是具有3自由度的球窝结构,实现伸屈、收展和旋转等动作;肘关节比肩关节少一 个收展自由度,是具有2自由度关节:腕关节具有2自由度,人体手臂一共具有7个自 由度1。由于每增加一个自由度,机械臂的驱动装置和传动装置也随之增加,结构复杂, 整体成本增加,当前的三、四、五、六自由度工业机器人大多从事单调重复性的工作, 不能很好地规避障碍,机械重量大,灵活性差,与人类手臂的性能和外观有很大差异闰 本文所研制的仿人类手臂七自由度机械臂,具有和人类手臂一样的自由度,灵活性好, 更可以更好的模拟人类手臂在工业生产和生活的操作,在康复医疗和工业自动化领域有 着较高的研究及应用价值 肱骨 关节腔 关节腔 肱骨 桡骨 尺 骨 图1-(a)人体肩关节构造图 图1-1(b)人体肘关节构造图 桡骨 尺 骨 图1-1(c)人体腕关节构造图 图1-1人体手臂自由度分布图 21994-2017chinaAcademicjOurnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net

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