模块化机器人运动控制系统的研究与设计

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1、武汉科技大学硕士学位论文第1页摘要随着科技的发展，机器人技术在各个行业得到了日益广泛的应用，控制器作为机器人的核心组成部分是影响其性能的关键部分之一。本文介绍了机器人的定义、组成及应用，阐述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模块化机器人控制系统，并详细分析了实现该控制系统所涉及的关键技术。首先，建立了基于D-H表示法的模块化机器人正、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，并针对其无解或多解的情况，分析了其可行解和最优解。其次，分析了三次均

2、匀B样条曲线的构造原理和特点，设计了基于B样条曲线的模块化机器人关节空间轨迹规划算法，给出了基于笛卡尔空间坐标系的模块化机器人轨迹规划算法，比较了笛卡尔空间与关节空间轨迹规划的优缺点。再次，介绍了基于动态隶属函数的变论域模糊控制算法，为了满足机器人运动控制精确性、实时性以及自适应性的要求，引入了对机器人运动趋势的分析，提出了运动趋势分析型论域自调整的模糊控制算法。最后，设计了三级多CPU结构的模块化机器人控制系统。第一级为上位计算机，实现机器人系统管理、协调控制以及人机交互；第二级为区域控制器，主要由DSP(TMS3

3、20LF2812)模块、以太网模块、CAN总线模块以及电源模块组成，实现机器人正逆运动学求解、轨迹规划以及与上位机、下位机的通讯；第三级为智能模块，主要由DSP(TMS320LF2407)模块、驱动模块、CAN总线模块、传感模块以及电源模块组成，实现对机器人的运动控制、驱动以及与区域控制器的通讯。通过Matlab软件，对模块化机器人运动学正、逆解，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：本文所提出的运动控制算法和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。关键词：模块化机器人；运动控制系

4、统；运动学；轨迹规划；运动控制第1I页武汉科技大学硕士学位论文AbstractAsthedevelopmentofscienceandtechnology，robotiswidelyappliedinmanyways．androbotcontrolleristhecoreconstituentoftherobot，whichisthedecisivefactorstotherobotperformance．Thedefinition,compositionandtheapplicationoftherobotarei

5、ntroduced．thepresentsituationofthedomesticandforeignrobottechnologyiselaborated．focusedontherobotcontrollercharacteristicandthequestion,themodularrobotcontrolsystemwithopenstructureisproposed，andthekeytechnologyofthecontrolsystemisanalyzed．Firstly．thekinematics

6、modelandinversekinematicsmodelofthemodularrobotisestablishedbasedonD—Hmethod．thesolutionprocessoftheinversekinematicsequationisexplained，andaimingatitsnon—solutionorthemulti—solutionsituation,thefeasiblesolutionandtheoptimalsolutionareanalyzed．Secondly，theconst

7、ructionprincipleandthecharacteristicofthecubicuniformB—splinecurveareanalyzed，thejointspacetrajectoryplanningalgorithmofthemodularrobotbasedonB—splinecurveisdesigned，theCartesianspacetrajectoryplanningalgorithmofthemodularrobotisgiven,thecharacteristicofthejoin

8、tspacetrajectoryplanningandtheCartesianspacetrajectoryplanningarecompared．Thirdly,theself-adjustinguniversefuzzycontrolalgorithmbasedonthedynamicmembershipfunctionisintroduc