DGR-5A 型机器人控制系统的设计研究

所需积分/C币:10 2016-01-14 11:37:41 34.12MB PDF
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机械手臂基于动力学模型的控制方法,计算力矩法,外回路,复合控制。 .
承诺书 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知,除文中已经注明引用的内容 外,本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的內谷。对本 论文所涉及的研究工作做出页献的其他个人和集体,均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送父论文的复印件,允 许论文被査阅和借阅,可以将学位论文的全部或部分內容编入有关数 据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文 (保密的学位论文在解密后适用本承谘书) 作者签名 H期 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 工业机器人是当今工业的重要组成部分,能够精确的执行各种各样的任务 和操作,在这种情况下,模拟工业机器人系统米开发教学机器人系统是一个很 需要重视的领域。 本文以“DGR5A五自由度教学机器人”为对象,展开」以下儿点研究: 首先,对DGR-5A五自由度机器人寻求有效的分析方法,建立操作臂的运动 学方程及其逆方程,通过计算机仿真验证了方法的止确性,同时为确定机器人 的空间运动轨迹,对轨迹规划基本理论做了·般性探讨。 其次,考虑到机器人系统的耦合、非线性等问题,建立准确的五白由度机 器人动力学模型;然后在此模型基础上对控制算法进行研究。针对不确定刚体 迕杆机器人的跟踪控制问题,提岀一种轨迹跟踪鲁棒控制方案,其控制器由基 于标称模型设计的计算力矩控制器和基于不确定性因素设计的鲁棒龈踪补偿控 制器组成,使系统达到理想的控制性能。 最后,叙述了机器人伺服控制系统的硬件设计和实现。以工控机为核心, 在位置反馈信号采集调理过程中对单片CPL进行多通道扩展以简化系统结构, 并通过对速度冋峰和位置冋路的信号的全数字采样,有效的提高了伺服控制精 度及工作稳定性,使系统具有结构简单、成本低亷、性能可靠等特点。 关键词:机器人,轨迹跟踪,计算力矩,鲁棒控制,伺服系统,复杂可编程逻 辑器件 DGR-5A型机器人控制系统的设计研究 ABSTRACT Industrial robots are being used more and more widely in modern countries Under this circumstance it is an important field to develop teaching robots that can imitate industrial robotic systems In this paper dgr-5A five-freedom teaching robot were regard as a subject, and the main rescarch as follows At first an effective analvtical method was found to solve the kinematics and inverse kinematics of DGr- 5a five-freedom teaching robot, and it was testified by the simulation of computer. In order to ascertain the motion path in space, the basic theories of trajectory tracking were discussed initially Then, the precise five-freedom dynamic model including the robotic system problems such as coupling, nonlinear and so on was established. Based on the model the control algorithm was researched a design method of robust tracking control for igid-link robots with uncertainties was proposed. its controller was composed by the computed-torque controller based on nominal model and a robust compensating ntroller based on uncertain The availability of this control method was shown by theory and simulation In the end, the design and implement of the servo-system hardware on robot were described. Taking the industrial computer as the kernel, the system structure was simplified by extending the multi-channel in onc piece of CPLD, the scrvo-control precision and working stability were improved effectively by the full digital sample of the signal for speed circuit and position circuit. And the advantages of the system are simple, low-cost and stable Key words: robot, trajectory tracking, computed-torque, robust control, servo system, CPLD 11 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1.1国内外机器人发展的状况..... 1.2国内机器人的发展状况 1.3机器人系统构成 1.4研究的背景和内容 1.5本文所做的主要工作… 第二章DGR-5A教学机器人的运动学控制 2.1机器人空间描述 ·中···:·· 12 2.2DGR-5A机器人运动学分析 16 2.3工作空间讨论 .23 2.4机器人运动学算法验证 +·+·“··+·4+··“·+·“·+·+· 24 2.5轨迹规划 27 2.6小结 30 第三章机器人动力学模型及仿真环境构建 31 3.1动力学模型的建立 “·:···.······· 3.2机器人动力学模型物理结构特性.….35 3.3仿真环境的构建 36 DGR-5A型机器人控制系统的设计研究 3.4小结 ···········:····.··· 第四章基于模型的机器人轨迹跟踪控制… 4.1轨迹跟踪控制的描述. 4.2基于计算力矩法的机器人轨迹跟踪控制… 4.3针对机器人不确定性因素影响的鲁棒补偿跟踪控制.…….-.4 4.4仿真结果及比较分析 4.5小结 54 第五章机器人控制系统的硬件设计 ··;·丰···,,· 5.1系统组成和基本配置… ··· 55 5.2机器人控制系统的硬件设计方案 56 5.3小结 69 第六章结束语 70 6.1论文总结 A‘‘ D'DbIIDDE.a.a4a‘.:4 4D4 6.2进一步工作建议 70 参考文献. 72 致谢 5 在学期间的研究成果 ………………,76 附录一机器人的动力学模型及仿真程序M函数 77 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图1.1机器人伺服系统组成结构图 图1.3机器人工作示意图. 图1.4机器人控制系统工作原理图… 图2.1坐标平移 图2.2坐标旋转. 14 图23复合映射 14 图2.4机器人结构 16 图2.5空间尺小链 图2.6机器人模型各坐标系及相互关系 17 图27机器人正运动学仿真结果 25 图28机器人逆运动学仿真结果 25 图29运动学正运算的 SIMULINK主程序 26 图2.10机器人末端位置运行空间轨迹图.. 26 图2.11轨迹规划过程示意图 27 图2.12机器人轨迹跟踪控制框图 30 图3.1刚性机器人三自由度示意图 ,32 图3.2考虑不确定性因素影响的机器人桢型 ······ 34 图3.3刚性机器人三关节开链系统的坐标示意图……. 36 图34DGR-5A机器人动力学控制系统框图. 39 图41基于计算力矩法的系统结构框图 42 图42对机器人不确定性因素的鲁棒控制系统结构图 43 图4.3开环轨迹跟踪误差… 48 图4.4计算力矩法轨迹跟踪误差 48 图4.5腰关节大臂关节小臂次节的轨迹跟踪. 图46关节大臂关节小臂关节的轨迹跟踪图 49 图47基于讣算力矩法的跟踪机器人模形误差…...…0 图48p(9,q)=6时机器人三关节的跟踪误差….50 图49p(q,q)=8时机器人三关节的跟踪误差 51 DGR-5A型机器人控制系统的设计研究 图4.10p(q,q)=10时机器人三关节的跟踪误差51 图411腰关节大臂关节小臂关节的轨迹跟踪… 图4.12无建模误差情况下的轨迹跟踪误差. ·4·+·+· 图41310%模型误差下的轨迹跟踪误差 图414基于计算力短法的电机力矩大小 图415加入鲁棒控制律后的电机力矩大小 ·“+··;····; 图53空比及平均速度与占空比的关系 59 图54测速机反馈信号调理电路…… 图5.5模拟调理模块实物照片 图56CPLD器件的位置信号谎理设计示意图 图57CPLD实现的编码器反馈信号调理系统结构图 65 图58腰、大臂、小臂三个关节的位置反馈信号调理的仿真…6 图59数字电路调埋模块实物照片 南京航空航天大学硕士学位论文 表清单 表1.机器人关节尺小及位置参数. 表51片选地址信号编码表. ……67

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