六自由度机械臂半实物仿真系统研究

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1、六自由度机械臂半实物仿真系统研究程聪2016年1月中图分类号：TP241UDC分类号：621.3六自由度机械臂半实物仿真系统研究作者姓名程聪学院名称自动化学院指导教师赖汝副教授答辩委员会主席刘向东教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月ResearchofSemi-physicalSystemon6-DOFManipulatorCandidateName:ChengCongSchoolorDepartment:SchoolofAutomationFacultyMentor:Prof.LaiRuChair,ThesisCommi

2、ttee:Prof.LiuXiangdongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作

3、者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要机械臂已广泛应用于工业、医疗、航天、教育等各个领域，对机械臂的研究具有重要意义。本文研究六自由度机械臂半实物仿真系统，建立了机械臂虚拟仿真系统和6自由度机械臂实物控制系统。首先，以六自由度机械臂为研究对象，采用Denavit-Hartenberg（D-H）方法建立了正逆运动学模型，基于拉格朗日法建立了动力学模型。其次，研究了机械臂轨迹规划算法和控制算法。使用定步长插补和变步长插补方法，完成了六自由度机械臂的笛卡尔空间直线和圆弧的轨迹规划及仿真，仿真结果说明变

4、步长插补可使机械臂启停比较平缓。利用带有改进切换函数的自适应非奇异终端滑模控制算法（ANTSMC），完成了六自由度机械臂轨迹跟踪控制及仿真，仿真结果证明改进切换函数有效减小了控制力矩的抖振。再次，搭建了六自由度机械臂虚拟仿真平台，完成了虚拟建模、3D虚拟仿真、以及GUI仿真界面设计，在虚拟仿真平台上展示了六自由度机械臂运动学、轨迹规划和控制算法的3D可视化仿真。最后，建立了六自由度机械臂的实物控制平台，采用基于CAN总线的上位机与DSP关节控制板两级控制架构，在实物控制平台上实现了轨迹规划和控制算法，得到满意的实验结果。关键词：机械臂；轨迹规划；控制算法；虚拟仿真平台；实物控制

5、平台I北京理工大学硕士学位论文AbstractManipulatorshavebeenwidelyusedinmanyfields,suchasindustry,medicine,aerospaceandeducation.Researchofmanipulatorisofgreatvalue.Thispaperresearchesasemi-physicalsystemofsixdegreesoffreedom(6-DOF)manipulator,installingthevirtualsimulationsystemofmanipulatorandphysicalcontr

6、olsystemof6-DOFmanipulator.Firstly,withthe6-DOFmanipulatorasaresearchobject,forwardandinversekinematicalmodelisderivatedbyDenavit-Hartenberg(D-H)method,anddynamicalmodelingisbasedonLagrangemethod.Second,trajectoryplanmethodsandcontrolalgorithmsofmanipulatorarestudied.Bothoffixedstepandvariab

7、lestepinterpolationareadoptedinCartesianspaceforalinetrajectoryandanarctrajectoryforthe6-DOFmanipulator.Thesimulationresultsshowthatvariablestepinterpolationcanmakethemanipulatorstartandstopsmoothly.Anadaptivenonsingularterminalslidingmodecontrol(A