六自由度机械臂模块化关节控制技术

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1、中图分类号：TP242.2UDC分类号：621.3六自由度机械臂模块化关节控制技术作者姓名李威学院名称机械与车辆学院指导教师张虎副教授答辩委员会主席张之敬教授申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月Modularjointcontroltechnologyof6-DOFmanipulatorCandidateName：LiWeiSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:AssciateProf.ZhanghuChair,ThesisCommitte

2、e：Prof.ZhangZhijingDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby: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

3、合作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本文主要针对国内研究较少的机械臂模块化关节进行了相关控制技术研究。首先以模块化关节通过轴线平行式和轴线垂直式连杆构成的六自由度机械臂为研究对象，综合分析其控制基础。再以模块化关节为研究对象进行了模块化系统集成和总体控制结构设计以及控制系统的仿真和优化，为模块化关节控制技术的应用提供了理论依据。在六自由度机械臂控制基础方面主要进行了基于D-H参数法的机械臂正运动学解算，并利用MatlabRoboticToolbox建立了机械臂正运动

4、学数学模型进行了仿真验证。综合分析了解析解法在机械臂逆运动学方面存在解的存在性、多重性和奇异点等问题，提出了采用基于BP神经网络的运动学逆解算法并进行了数学建模和算法实现，为机械臂运动学逆解引入了新思路。在建立机械臂正逆运动学模型的基础上进行了机械臂的关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划算法的仿真分析；在关节空间进行三次多项式和高阶多项式插值算法的分析并以五次多项式插值算法为例进行了轨迹仿真；在笛卡尔空间分别就空间直线插补算法和空间圆弧插补算法进行了分析并进行了仿真，分析机械臂末端轨迹各路径点处的关节位姿。在机械臂动力学方面以机械臂任意关节为研究对象，建立了拉

5、格朗日方程并具体分析了机械臂动力学正问题和动力学逆问题；结合本文的六自由度模块化机械臂的构型在Adams软件平台下进行了基于关节空间轨迹规划的动力学逆问题的仿真，就给定各关节转速的情况下得到了关节驱动力矩的仿真数据，为机械臂的轨迹跟踪控制奠定了理论基础。在模块化关节控制系统方面，首先进行了模块化关节内部系统集成设计，提出了基于CAN总线通讯协议的分布式控制系统的设计思想，确定了关节内部具体走线策略和控制硬件具体布局。其次就模块化关节的核心驱动原件-直流伺服电机的控制进行了位置-速度-电流的三闭环控制器设计，使用Matlab/Simulink建立了直流伺服

6、电机三闭环控制器数学模型并进行了仿真分析。针对三闭环控制系统的仿真结果提出了采用自适应模糊PID控制的方式来对三闭环系统进行调节和优化，最后进行了自适应模糊PID控制器设计和自适应模糊PID三闭环控制系统的仿真，实现了模块化关节控制系统的优化设计，为模块化关节控制技术的应用提供给了理论分析依据。关键词：模块化关节；逆运动学；轨迹规划；动力学；模糊PIDI北京理工大学硕士学位论文AbstractForthereasonoffewrelativeresearchesinourcountryonthemodularmanipulatorjoints,thisp

7、apermainlystudythemanipulatormodularjointscontroltechnology.First,takethesixdegreesoffreedommanipulatorcomposedofmodularjoints,parallelaxisandverticalaxisconnectingrodsasresearchobjectanalyzedthecontrolbasis.Thentakethemodularjointasresearchobjectachievedthemodularsystemintegrati

8、onanddesignedtheoverallcontrolstructure,