基于嵌入式Linux的移动机械臂控制系统设计

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1、分类号：密级：ＵＤＣ：编号：工学硕士学位论文基于嵌入式Ｌｉｎｕｘ的移动机械臂控制系统设计硕士研究生：张来智指导教师：原新副教授学科、专业：控制科学与工程论文主审人：陆军教授哈尔滨工程大学＾‘２０１８年１月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文基于嵌入式Linux的移动机械臂控制系统设计硕士研究生：张来智指导教师：原新副教授学位级别：工学硕士学科、专业：控制科学与工程所在单位：自动化学院论文提交日期：2018年1月论文答辩日期：2018年3月学位授予单位：哈尔滨工程

2、大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofMasterDesignofmobilerobotarmcontrolsystembasedonembeddedLinuxCandidate:ZhangLaizhiSupervisor:A.P.YuanXinAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringEngineeringField:ControlTheoryandEngineeringDateofSubmission:J

3、anuary,2018DateofOralExamination:March,2018University:HarbinEngineeringUniversity基于嵌入式Linux的移动机械臂控制系统设计摘要随着社会的发展，劳动力成本越来越高，机器人作为一种可替代人生产作业的产品逐渐开始走进人类生活，21世纪机器人呈现飞速的发展，各类机器人得到开发与研制，被广泛应用于工业生产、航空航天、医疗卫生、家庭服务、教育交流等行业，促进了人类社会的发展。服务机器人作为最靠近人类的一类机器人，具有重大的研究价值。服务机器人中应

4、用最广泛的的是移动机器人，一般由移动平台搭载一个或两个机械臂组成。本文设计的移动服务机器人，移动平台采用四轮全向移动车，可以实现任意方向的移动，相较与普通移动平台运动更加灵活。机械臂采用模块化的七自由度机械臂，机械臂的控制系统集成与关节模块内部，机械臂更加简洁，可方便进行扩展。主要研究内容如下：首先，进行移动机械臂系统结构的总体设计。移动平台选择基于MECNUM轮的全向移动平台，根据移动平台负载选择MECNUM轮和驱动电机。机械臂结构的设计，采用七个旋转关节组成的冗余七自由度模块化机械臂。设计了模块化关节，在关节中安

5、装伺服驱动器，行星齿轮减速机构，制动器和传感器，由标准的模块化关节组建机械臂。其次，进行移动机械臂系统的运动学分析。对移动平台和七自由度机械臂建立数学运动模型。通过几何法与代数法建立了机械臂的运动学模型，在Matlab中建立了机械臂的仿真模型，使用模特卡洛法仿真出机械臂的工作空间。最后进行逆运动学求解并验证逆运动学的正确性。然后，进行移动机械臂控制系统的设计。系统控制方案选择，机械臂的控制方式选择基于CAN总线的分布式控制，上位机作为CAN总线主节点，各关节控制器作为从节点，实现机械臂实时控制；移动平台的控制通过串口

6、总线控制。对移动机械臂控制系统了进行硬件设计和软件设计。最后，进行移动机械臂的运动规划。介绍移动机械臂的运动控制方式，对机械臂进行了任务空间的轨迹规划，首先设计任务空间的规划算法，在任务空间设计两种实验，直线轨迹实验与圆弧轨迹实验，验证了轨迹规划算法的正确。对于移动平台实现平台的点到点控制，通过抓取实验验证移动机械臂控制系统的完整性。关键词：七自由度机械臂；CANopen；机械臂运动学；控制系统；轨迹规划基于嵌入式Linux的移动机械臂控制系统设计ABSTRACTWiththedevelopmentofsociety

7、,thelaborcostismoreandmorehigh,therobotasakindofalternativepersonproductionoperationproductgraduallybegantoenterthehumanlife,the21stcenturyRobotpresentstherapiddevelopment,allkindsofrobotshavebeendevelopedanddeveloped,iswidelyusedinindustrialproduction,aerospac

8、e,medicalandhealth,familyservices,educationexchangesandotherindustries,Promotethedevelopmentofhumansociety.Asakindofrobotwhichisclosesttohuman,servicerobothasgreatresearchva