24小時論文定制熱線

咨詢電話

熱門畢設:土木工程工程造價橋梁工程計算機javaasp機械機械手夾具單片機工廠供電采礦工程
您當前的位置:論文定制 > 畢業設計論文 >
快速導航
畢業論文定制
關于我們
我們是一家專業提供高質量代做畢業設計的網站。2002年成立至今為眾多客戶提供大量畢業設計、論文定制等服務,贏得眾多客戶好評,因為專注,所以專業。寫作老師大部分由全國211/958等高校的博士及碩士生設計,執筆,目前已為5000余位客戶解決了論文寫作的難題。 秉承以用戶為中心,為用戶創造價值的理念,我站擁有無縫對接的售后服務體系,代做畢業設計完成后有專業的老師進行一對一修改與完善,對有答辯需求的同學進行一對一的輔導,為你順利畢業保駕護航
代做畢業設計
常見問題

六軸機械臂控制系統設計及仿真

添加時間:2021/07/30 來源:未知 作者:樂楓
本文主要工作是圍繞著控制系統展開,通過對一款輕量級六自由度關節機械臂進行控制系統的設計。工作內容有,首先闡述了機械臂的運動學理論,為構建運動學模型提供理論基礎。
以下為本篇論文正文:

摘要

  工業機械臂是工業生產中的重要輔助工具,而六軸機械臂更是可以完成搬運、焊接、分揀等多種工作,是機械臂家族的重要成員。六軸機械臂組成包括機械結構和運動控制系統,運動控制系統的工作是通過控制機械臂的各個關節電機的旋轉使得機械臂按照約定的空間軌跡運動?梢哉f運動控制系統是機械臂的核心部分,而運動控制系統又分為控制系統和驅動系統?刂葡到y通過對機械臂的路徑進行規劃將機械臂空間運動數據轉化成機械臂的關節角度信息,驅動系統通過接受這些角度信息實現對機械臂關節的控制以實現機械臂的整體運動。

  本文主要工作是圍繞著控制系統展開,通過對一款輕量級六自由度關節機械臂進行控制系統的設計。工作內容有,首先闡述了機械臂的運動學理論,為構建運動學模型提供理論基礎。其次通過機械臂的3D模型獲取機械臂的結構參數,運用這些參數來構建機械臂的連桿關系以實現關節坐標系的相對變換。根據標準的DH法來建立機械臂順向運動學模型,并運用仿真軟件對該模型進行仿真來驗證其正確性;陧樝蜻\動學模型實現機械臂的逆解建模用于求解機械臂的各個關節角度。最后通過單一形式的軌跡規劃算法實現了適合于機械臂三種工作方式的路徑規劃算法,并運用仿真軟件對這些路徑規劃算法進行仿真,基于C#語言完成了對控制系統軟件的編寫。

  關鍵詞:六軸機械臂;運動學;路徑規劃;運動控制系統;運動仿真

Abstract

  Industrial robotic arm is an important auxiliary tool in industrial production, and six-axis robotic arm can complete various tasks such as handling, welding, sorting, etc., and is an important member of the robotic arm family. The six-axis manipulator consists of a mechanical structure and a motion control system. The work of the motion control system is to control the rotation of each joint motor of the manipulator to make the manipulator move in accordance with the agreed space trajectory. It can be said that the motion control system is the core part of the manipulator, and the motion control system is pided into the control system and the drive system. The control system converts the space motion data of the robot arm into the joint angle information of the robot arm by planning the path of the robot arm, and the drive system realizes the control of the robot arm joints by receiving the angle information to realize the overall motion of.

  The main work of this paper is to develop around the control system, through the design of the control system of a lightweight six-degree-of-freedom articulated manipulator. The work content is as follows. First, the kinematics theory of the robotic arm is explained to provide a theoretical basis for constructing a kinematic model.

  Secondly, the structural parameters of the robot arm are obtained through the 3D model of the robot arm, and these parameters are used to construct the linkage relationship of the robot arm to realize the relative transformation of the joint coordinate system. According to the standard DH method, the forward kinematics model of the manipulator is established, and the simulation software is used to simulate the model to verify its correctness. Based on the forward kinematics model, the inverse solution modeling of the robotic arm is used to solve the various joint angles of the robotic arm.

  Finally, a single-form trajectory planning algorithm is used to realize the path planning algorithm suitable for the three working modes of the manipulator, and the simulation software is used to simulate these path planning algorithms, and the control system software is written based on the C# language.

  Key words:six-axis manipulator; kinematics; path planning; motion control system; motion simulation

六軸機械臂,

目 錄

  1緒論

  1.1引言

  工業機械手臂是一種可以自動完成特定任務的工業設備,研發這種設備的主要目的 是為了執行或替代人類工作崗位中臟、累、危險的工作。機器人研究最早起源于美國的 阿貢實驗室,為了解決如何通過機械裝置來處理放射性物質而研制出的簡單的主從操作 遙控機械手。經過半個多世紀的發展,現代工業機器人已經成為集計算機技術、光電機 體化、網絡技術、自動控制理論及人工智能為一體的高新科學技術[1],是當代科學研究 非;钴S、應用逐漸廣泛的領域。工業機器人技術的出現替代了工業生產中單調重復以 及體力消耗較大的生產作業,提高了生產效率和完全避免了工作人員因疲勞而導致的工 作問題。促進了工業自動化的發展,推動了人類社會生活方式的變革[2].

  1.2工業機械手臂的分類

  工業機械臂是擬人手臂,從結構上來說一般機械手分為手臂、手腕、手三個部分。 但由于工作的內容和復雜性的不同,機械臂也分為很多種。

 。1)直角坐標型機械臂:直角坐標型機械臂一般為 3 個自由度使的機械臂能在笛卡 爾坐標系中沿 X 軸 Y 軸及 Z 軸移動如圖 1.1 所示。

  直角坐標型機械臂機械結構簡單,控制簡便,通過在 Z 軸的末端執行器上配置不同 的工具抓手可以運用在不同的工作領域。如工業碼垛,流水線上的檢測、上料下料、點 膠、包裝、噴涂、焊接等。直角坐標型機械臂結構主要有直線運動單元構成,如圖 1.2 所示。

  直線運動單元驅動系統一般分為三種,分別是絲桿驅動、齒輪同步帶驅動和直線 電機驅動[3].圖 1.2 所示的直線單元結構就是電機配合滾珠絲桿帶動滑塊的結構。這種 結構的工作原理是將絲桿的回轉運動轉換成直線運動。其具有摩擦力小、精度高等優點。 但這種結構在受外力時容易產生變形,從而影響進給系統的性能。齒輪同步帶驅動的直 線坐標型機械臂其結構為在直線模組兩端的傳動軸中安裝皮帶,并在皮帶上固定滑塊。

  同步帶驅動具有結構緊湊,成本低,維護方便等優點,但同時線性模組做往返運動時由 于帶輪和皮帶之間存在一定間隙,從而導致重復定位精度不高。直線電機驅動是通過特 殊結構的直線電機來驅動滑臺,而直線電機主要運用特殊需求的工作當中如楊通一文[4] 當中提到的直線電機采油技術。

  圓柱坐標型機械臂:一般由多個旋轉運動和多個直線運動的結構組成。一個機 械臂所具備的自由度越高代表這個機械臂動作越靈活,結構也更加復雜。而在一些工業 生產中對于機械臂的自由度要求并不是很高。如圖 1.3 所示是一個圓柱坐標型機械臂的 3D 模型。在工業生產中圓柱型坐標機械臂常用于沖床取料和鍛造等重復性較高的作業 中,在陳永明一文中就將圓柱型坐標機械臂運用到針織圓緯機中代替人工接紗操作和除 絮步驟[5].

  型機械臂:一般具有 4 個自由度,即 3 個轉動一個線性運動。如圖 1.4 所示是 H2W 公司的晶圓搬運 SCARA 型機械臂,在晶圓生產中晶圓搬運機械臂是一個 重要的設備,在晶圓生產及制作完成的過程中為避免晶圓與外界接觸而造成對晶圓的損 壞將晶圓成品及半成品放入晶圓盒中是一種有效的手段,而 SCARA 機械臂則大大提高 了晶圓存入晶圓盒和取出晶圓盒的效率[6].

 。4)空間機械臂:空間機械臂在工業生產中不是很普及,主要運用在外太空作業。 空間機械臂根據長度劃分為輕型、中型、大型等三類。輕型空間機械臂長度大概在 4-10m, 中型空間機械臂為 10-50m,大型空間機械臂長度為 50m 以上。輕型空間機械臂的典型 代表有 1997 年日本工程實驗衛星 2VII 上安裝的 2m 長的機械臂,其有 6 個關節自由度 配有攝像機等輔助工具。SSRMS 是加拿大研發的第二代大型空間機械臂,如圖 1.5 所示。

  SSRMS 長為 17.6m,具有 7 個自由度,自重約 1800kg,可抓取載荷約 116000kg.雖然 外形上與加拿大第一代空間機械臂類似,但實際上 SSRAMS 相比第一代要復雜的多。 目前對空間機械臂的研究主要提留在避障和自主規劃中,而限制于實驗條件這些研究大多數只停留在仿真階段,就有學者寫到了基于圓柱盒模型的空間機械臂避障仿真[7].

  球坐標型機械臂:根據球坐標系所設計的結構,所謂球坐標系是三維坐標系中 的一種。在球坐標系中以方位角、仰角和該點到原點的直線距離來表示球坐標系空間中 點或線的位置。球坐標型機械臂一般由 3 個自由度構成,即一個移動副和兩個轉動副。 如圖 1.6 所示球坐標型機械臂的工作范圍,類似于一個不完整的球型。其結構類似圓柱 型坐標機械臂,相對于圓柱型機械臂其工作范圍更大,結構的密封性也更好。但其結構 也注定了它有工作死區[8].

  關節型機械臂:其結構類似人類手臂,一般具備 4 到 6 個自由度。如圖 1.7 所 示是一個典型 6 個自由度關節型機械臂 PUMA560,該型機械臂是最典型的關節型機械 臂。結構上分為腰部、肩部、大臂、小臂和腕關節,分別對應著機械臂的關節 1、關節 2、關節 3、關節 4 及關節 5 和 6.這 6 個關節全都是轉動關節,這樣的結構設計也使得 PUMA560 靈活度非常高。根據 PUMA560 的設計思路,現如今關節型機械臂的結構主要分為兩種形式:一種是平行四邊形結構,另一種是側置式結構[9-10].側置式結構的關 節機械臂由于大臂和小臂幾乎可以完全伸展,所以其工作范圍更廣。但其懸掛式結構也 使得其負載能力不強,一般只能從事負載有限的工作。平行四邊形結構的關節機械臂其 大臂和小臂組成了類似一個平行四邊形的形狀,由于是拉桿驅動因此負重能力強,但工 作空間有限。隨著其控制算法的進步,工作空間較小這一缺點也得以解決。使得其可以 同時承接焊接、裝配等工作的同時也可以用于碼朵[11].

  1.3 工業機械手臂的國內外研究現狀

  工業機械手臂作為自動化生產中重要的輔助工具一直備受國內外學者關注和研究。 相比于發達國家,我國對工業機械臂的研究進程較慢。但在國家的大力支持下,國內的 機械臂技術也在迅速進步,同時也涌現了大批研究廠商和個體企業,但核心部件、控制 軟件等方面與發達國家有著顯著的差距[12].我國的機械臂產業主要以低端的機械臂為 主,其中多以三自由度和四自由度居多。在需要 6 自由度機械臂的高端行業領域,國外 企業幾乎占據的壟斷地位[13]. 工業機械手臂的研究和發展可以看成三個階段。20 世紀 50 年代機器人公司 Unimation 生產的 Unimate 機器人是世界上第一臺真正意義上的工業機械臂,Unimate 的主要功能是將一個物體從一點傳遞到另一點。該設備采用液壓驅動,主要工作原理是 工作前在機械臂的存儲器中存儲機械臂上的關節角度,機械臂執行時回放這些關節角 度。Unimate 雖然體積龐大,結構復雜,工作內容簡單。但是卻和現代工業機器手臂有 著千絲萬縷的關系,如 1969 年在獲得 Unimation 的授權下日本川崎重工生產的 Kawasaki-Unimate 機器人。1973 年德國庫卡(KUKA)生產的世界第一臺機電驅動的 6 軸機器人(Famulus)。

  以及標志著工業機器人技術成熟的通用工業機器人(PUMA)[14]. 上世紀 50 到 80 年代被廣泛的認為是工業機器人發展的第一個階段,在這段時期主要是 工業機器人的誕生和技術成熟的過渡,驅動方式也從原來的液壓驅動變成了機電驅動, 機械臂的工作方式主要是示教-再現。 與第一階段的機械臂不同的是第二階段的機械臂的工作方式不再是傳統的示教再 現的方式,而是具備了視覺、觸覺等感知功能的機器。如人臉肖像繪制機械臂是一種具 備了機器視覺的機械臂。

  它的主要工作原理是通過它的圖像采集模塊采集人臉照片,由 圖像處理模塊提取人臉肖像,機械繪圖控制模塊控制機械臂繪制人臉肖像[15],還有工業 中廣泛運用的基于機器視覺的分揀機器人也是具備視覺業的工機械臂[16].在 Hyung-Kew Lee 所寫的文章中就提到了一種電容式的觸覺傳感器,將這種傳感器鋪設在機械手臂上 可以作為機械臂的觸覺感知模塊[17].該電容式觸覺傳感器主要采用了電容式傳感方案使 得它對溫度的變化有者良好的免疫力和高靈敏度。該觸覺傳感器主要由 16×16 個矩陣 單元所構成。主要工作原理是壓力施加在矩陣單元中使得矩陣單元中間的間隙發生改變,間隙的改變造成了單元電容的變化。通過監測電容信號的變化來實現觸覺信號的反 饋。在第三階段中工業機械臂的研究除了使得機械臂具備感知功能外,讓機械臂本身具 有規劃和決策功能成為了當前機械臂研究的熱門方向。在該階段中對機械臂的研究主要 集中在對機械臂的智能控制方面。如鄒建奇等人[18]的文章中就報道了一種基于神經網絡 方法來進行柔性機械臂逆運動學求解的方法。通過使用這種方法可以有效的控制機械臂 的震動。還有如宋睿卓的文章[19]采用了自適應模糊控制,使得機械臂在運動過程中可以 對控制規則進行實時修改,進而提升機械臂的運動性能。

  以及付榮[20]提出的一種基于智 能優化的方法來實現機械臂的路徑規劃。通過該算法來選擇多個路徑中的最優的一個, 使得機械臂運動軌跡平滑,運動過程中減少了沖擊和振動,令機械臂的性能更加可靠。 第三階段的機械臂目前還在研究當中,各大機械臂廠商中并沒有真正意義上的第三 代機械臂,具備自我規劃能力的機械臂距離實際的運用還需要一段時間研究和實踐。目 前機械臂的研究方向仍然集中在人類控制機械臂的水平當中。而機械臂的控制系統是機 械臂研究的一個重要方向,尤其是多自由度的機械臂更是如此。目前機械臂控制系統主 要分為 4 種,即上位機軟件加運動控制卡,嵌入式系統,工控機(IPC)加數據采集卡和運 動控制器,PLC 控制[21].

 。1)上位機軟件加運動控制卡 上位機軟件加運動控制卡構成的機械臂控制系統其結構主要分為上位機軟件、運動 控制卡和伺服驅動器三部分如圖 1.8 為該控制系統中的運動控制卡。

  在該控制系統中,上位機軟件主要工作是規劃和傳遞機械臂的運動信息給運動控制 卡。運動控制卡是一種配合電腦端一起使用的運動控制單元。上圖中的運動控制卡為固 高公司生產的 GT-SCAN 系列的控制卡。該控制卡是一個四軸運動控制卡,控制單元核 心為 FPGA 和 DSP,FPGA 是一種可編程器件,其主要功能是實現脈沖分配、倍頻、譯 碼、定時、計數等功能[22].后者 DSP 是一款高性能的微處理器,其功能為運算存儲在E2ROM 中的運動算法。GT-SCAN 基于 PCI 總線[23]連接電腦端,被其控制單元為伺服驅 動器,通過下發脈沖信號給伺服驅動器驅動電機運動達到控制機械臂運動的目的。

 。2)IPC 加數據采集卡和運動控制卡 如圖 1.9 是 IPC 加數據采集卡和運動控制卡的硬件結構圖,由圖可知該控制系統主 要分為三個工作部分,運動控制部分、運動執行部分、信號采集部分[24].

  運動控制部分主要有工控機(IPC)、交換機、運動控制器等三個單元。在該部分中 工控機提前設置好與運動控制器相同網段的 IP 地址,通過交換機連接不同 IP 地址的運 動控制器,從而實現與運動控制器的連接。運動控制部分的主要功能是處理接受采集卡 采集的位置信號,并將這些信號轉換為控制電機轉動的脈沖信號。運動執行部分主要有 伺服驅動器和電機,伺服驅動器接受上位機控制部分下發的脈沖信號進而驅動電機。數 據采集部分有電機位置傳感器和數據采集卡兩個功能部件組成,電機位置傳感器主要功 能是采集電機旋轉的位置,并將這些位置模擬信號上傳到數據采集卡,數據采集卡獲得 這些信號后將這些模擬信號進行 A/D 轉換后發送到運動控制部分。 (3) 嵌入式系統如圖 1.10 是基于嵌入式系統的運動控制系統[25],該運動控制系統主要有基于 ARM 內核的微控制器、工業級的運動控制卡 LPC1768 以及伺服驅動器和對應的關節間電機。 基于 ARM 內核的微控制器其主要功能是通過移植 Linux 系統來構建一個人機交互界面 和執行正逆解算法及路徑規劃。運動控制卡接受上位機微控制器下發的位姿和路徑信息 將這些信息轉變成脈沖指令發送到伺服驅動器從而驅動電機旋轉。 (4)PLC 控制 如圖 1.11 是一個基于 PLC 的機械臂控制系統。其主要構成分成三部分,人機交互 部分、PLC 主控制部分、伺服驅動器部分[26].人機交互部分通過一個工業用的顯示屏顯 示機械臂各個關節的位姿信息,其主要通過 RS232 串口通信協議來實現顯示屏與 PLC 主控制器的連接。PLC 主控部分有兩個 PLC,這一主一從的兩個 PLC 從串口中接受來 自用戶的輸入信息進而將這些信息經過運動學算法運算后下發給伺服驅動器,而這兩個 PLC 通過 RS485 總線協議連接。

  在上述四種機械臂控制系統中。上位機加運動控制卡組成的機械臂控制系統由于上 位機一般都是 PC 端,上位機軟件可移植性強。因此該控制系統通用性較高,但相對的 是采用專業的運動控制卡,其開放性差,成本較高。嵌入式系統因為采用 MCU 來計算 機械臂的運動路徑和正逆解算法而代替了 PC 電腦的作用使其成本相對較低,但因為移 植開源的 Linux 系統是個相對復雜的過程大大增加了開發周期[27].數據卡加上位機軟件 構成的控制系統由于其路勁規劃和運動算法都放在了 PC 電腦端,因此具有結構相對簡 單,易于研發等優點。但無線網絡的連接方式也造成了其連接的不穩定性。而基于 PLC 的機械臂控制系統對于控制這種電動型驅動系統具有適用性高,穩定性強等優點,但相 對應的是成本極高。 針對上述四種類型的機械臂控制系統,本文所研究的六軸機械臂控制系統是 PC 端 上位機軟件加 STM32 微控制器和驅動器構成的控制系統。其中上位機軟件實現六軸機 械臂中的正逆解算法和路徑規劃算法,下位機則為 STM32 微控制器實現了對電機驅動

  器的控制。該控制系統由于采用上位機軟件的方式實現六軸機械臂的運動算法,因此其 移植性好。作為主控制器的 STM32 微控制器又具備通用性強,成本低,易開發等優點。

  1.4 研究內容及意義

  1.4.1 研究意義

  自改革開放以來,我國經濟始終保持了快速穩定的增長。有學者寫到人口紅利對我 國經濟建設提供了很大助力。上世紀 70 年代中期是我國適齡人口比重較大的時期,經 濟增長速度快[28].但在 20 世紀 90 年代以后,我國人口結構邁向老齡化的進程逐步加快。 有學者提出隨著適齡勞動力減少和人口結構的改變將會延緩我國經濟增長速度[29].人口 老齡化的趨勢其實并不止發生在中國,全世界都面臨著這個問題。為應對人口老齡化對 人口紅利的沖擊,德國率先提出工業 4.0 計劃。在這一背景下其他國家紛紛提出類似計 劃,如歐盟的工業復興戰略、法國的"新工業法國"、美國的"先進制造業伙伴關系計 劃"等[30].我國更是提出了中國制造 2025,即企業由傳統制造業向智能制造轉型[31]. 在人口紅利不在的情況下,傳統的流水線生產模式必然會增加企業的人力成本。而利用 機器人替代生產作業中可以替代的人工環節將是降低企業生產成本的一個不二之選。有 學者專門進行工業機器人、就業增長和勞動力成本三者之間的關系,得到了工業機器人 會造成就業率下降,但對勞動力匱乏的國家有效的降低了勞動力成本[32].如圖 1.12 所 示為豐田汽車自動化裝配焊接生產線。

  從市場需求來看我國已成為全球最大的工業機器人消費國。在 2015 年發布的《世 界機器人報告中》,我國工人擁有的工業機器人的占比遠低于全球平均水平。歐洲各國 在工業機器人上的運用都遠超我們國家。而在 2020 年發布的情況來看,雖然中國的工 業機器人使用率有了一定的提升,但在全球排名仍是處于靠后位置,如圖 1.13 所示。

  這代表工業機器人在我國具有極大的發展潛力和增長空間。而在工業機器人中各種 工業機械臂的占比如圖 1.14 所示,由圖可以看出工業機械臂占我國工業機器人市場份額 的 95.14%,在這其中關節型機械臂占比為 66.67%,這些數據也昭示工業機械臂在現在 及未來的工業生產中不可替代的作用。

  1.4.2研究內容

  本文通過文獻資料的查找,得出了在當前我國市場中關節型機械臂的市場占有率最 高,因此針對輕量級工業機械臂控制系統進行了研究。研究內容為以下:

  本文首先闡述了工業機械臂的起源及研究現狀,并對現有的工業機械臂種類分別 進行了論述。根據市場數據顯示得到關節型機械臂在市場占比較大,確認了關節型機械 臂作為機械臂控制系統作為研究對象。

  根據六個自由度機械臂進行運動學研究。通過 DH 方法[33]構建了機械臂連桿間的 坐標系相對關系,建立了機械臂的正向運動學模型,獲取機械臂的初始位置。并運用仿 真軟件對正向運動學模型進行驗證。最后基于正向運動學模型構建逆運動學模型用于機 械臂的逆解求算,并對逆解模型進行驗證。

  在構建運動學模型的基礎上來設計機械臂的軌跡規劃算法;谶@些規劃算法來 實現機械臂運動控制系統軟件的編寫。最后設計六軸機械臂硬件控制系統。

  根據以上工 作內容全文章節安排如下:

  第一章:闡述機械臂的起源,國內外發展現狀及研究意義,最后引出本文研究內容。 第二章:介紹運動學理論及機械臂的結構,為進行運動學的建模打下理論基礎。

  第三章:通過 SolidWorks 軟件對機械臂進行三維實體建模,獲得機械臂模型的連桿 參數后根據 DH 法構建機械臂的正向運動學模型。并通過仿真軟件來驗證正向運動學模 型的正確性;跈C械臂的正向運動學模型進行機械臂逆解的求解,進而獲得逆解求算 模型。第四章:首先介紹機械臂路徑規劃的本質,針對本文中的機械臂運動控制系統設計 了路徑規劃算法,并基于機械臂的正逆解數學模型和路徑規劃算法編寫了 PC 端的上位 機軟件。第五章:總結本論文中的所有工作,提出論文中不足之處和展望。

  1.5本章小結

  本章分析了工業機械手臂的國內外研究現狀,將發展現狀分成了三個階段。并詳細 的介紹了工業機械手臂的分類,包括各個機械臂結構設計、優缺點及其一般所運用的場 景和機械臂控制系統研究現狀。最后通過我國的工業機械臂市場占有率來引出本文的研 究意義和安排各個章節內容。

  2 機械臂的結構設計及運動學理論介紹

  2.1 機械臂結構設計

  2.2 機械臂運動學理論

  2.2.1 剛體位置描述

  2.2.2 剛體姿態描述

  2.2.3 剛體的位姿描述

  2.2.4 剛體的旋轉變換

  2.2.5 剛體混合變換和組合變換

  2.3 機械臂連桿關系構建方法

  2.4 DH 法構建正運動學模型

  2.5 機械臂逆運動學算法

  2.6 本章小結

  3 六軸機械臂運動學建模

  3.1 工具坐標系對運動學建模的影響

  3.2 機械臂中的奇異點分析

  3.3 機械臂正運動學建模

  3.4 機械臂正運動學模型仿真

  3.5 機械臂逆運動學建模

  3.6 本章小結

  4 機械臂控制系統設計

  4.1 笛卡爾空間軌跡規劃

  4.1.1 常規插補算法分析

  4.1.2 直線插補算法

  4.1.3 空間姿態插補

  4.1.4 實時插補算法

  4.1.5 圓弧插補算法

  4.2 上位機軟件系統設計

  4.2.1 軟件界面設計

  4.2.2 軟件程序結構設計

  4.3 機械臂硬件控制系統設計

  4.3.1 STM32 微控制器系統

  4.3.2 電機及減速器

  4.3.3 電機驅動器

  4.3.4 微控制器及驅動器電源
  4.4 本章小結

  5 總結與展望

  5.1 研究工作總結

  本文中使用 SW 軟件設計了一款輕量級的六自由度工業機械手臂,基于機器人運動 學理論,對機械臂模型進行了運動學建模。通過對機械臂模型進行正逆解建模使得機械 臂軌跡規劃得以進行。在軌跡規劃中基于常規插補算法設計了機械臂的多種路徑規劃算 法,最后使用路徑規劃算法和正逆解模型編寫機械臂運動控制系統中的軟件部分與硬件 部分相結合完成了機械臂運動控制系統的設計,F總結本文工作內容如下:

 。1)機械臂正逆解模型構建及仿真 根據本文中的機械臂模型參數,對該機械臂進行連桿關系構建,使用標準的 DH 法 建立了機械臂相應的正解模型。為了驗證正解模型的正確性,在仿真軟件中進行建模, 輸入不同的關節角度得到最終的齊次變換矩陣參數。將這些參數進行旋轉變化后與通過 幾何知識得到的參數進行對比得到正解模型正確。在正解基礎上構建機械臂逆解模型, 在求逆過程中通過運用解析解結構的優勢使用代數法進行機械臂的逆解求算。通過使用 降階的方式不斷的使得一元多次方程轉變為一元二次方程,最后獲得了本文機械臂的逆 解求算通式。最后將機械臂末端位置帶入逆解模型中進行關節角度求取與仿真軟件中的 結果進行對比驗證。

 。2)路徑規劃算法設計 基于本文中機械臂的結構與硬件設施,在路徑規劃中使用了單一形式的路徑規劃。 針對單一形式的路徑規劃模式設計了設計機械臂三種工作狀態的路徑規劃算法。即實現 機械臂自動規劃的直線插補和圓弧插補,該算法只需設定好起點、終點、速度及加速度。 機械臂便會自動完成軌跡運動。針對機械臂必然會遇到復雜的軌跡這一點設計了適合示 教模式的實時插補算法,通過該算法實現了對機械臂的實時控制以達成機械臂保存路徑 軌跡的關節角度信息的目的,從而教會了機械臂在些復雜的軌跡中運動。

 。3)控制系統設計及數學模型仿真 在路徑規劃算法和機械臂結構的基礎上,設計了針對本文的機械臂的運動控制系 統。該運動控制系統分成兩部分,即驅動系統和控制系統?刂葡到y通過采用本文中的 路徑規劃算法和正逆解模型運用 C#語言實現。驅動系統采用了 STM32-F407 芯片設計 了驅動系統電路構成了運動控制系統的硬件部分,實現了運動控制系統的構成。

  5.2 展望

  本文的研究對象是一種輕量機械工業機械手臂,通過對其進行正逆建模,路徑規劃 算法設計得以實現對其運動控制系統的設計,但本文研究還存在一些不足之處:

 。1)由于本文所研究的對象是輕量級的工業機械臂,所以動力學上的影響對其微乎其微。但在實際的工業生產中動力學模型的構建對大功率的機械臂存在一定影響,因此在 接下來的工作中將會繼續對機械的動力學模型進行研究。

 。2)在本文的運動控制系統中,控制系統部分采用的是 PC 端軟件模式,這種工作組 合無疑對實際生產工作造成不便之處,下一步工作將會積極實現基于 Linux 平臺的嵌入 式系統來代替控制系統部分。

 。3)本文在設計規劃算法時,對機械臂速度的規劃只運用了梯形規劃法,這樣作降低 了路徑規劃算法的計算過程。但梯形規劃法對于機械臂結構容易造成沖擊,因此在下一 階段的工作將會采用一些其他的速度規劃方案。

  參考文獻

  [1]Henrik I.Christensen.Formulation of a U.S.National Strategy for Robotics[J].IEEE. 2012.

  [2]顧震宇。全球工業機器人產業先狀與趨勢[J].機電一體化,2006,2:6~9.

  [3]李剛,周文寶。直角坐標機器人簡述及其應用介紹[J]. 伺服控制,2008,72-75.

  [4]楊通。采油用潛油直線電機動態特性研究[D].秦皇島:燕山大學,2019,2-3.

  [5]陳永明,劉德濱。圓柱坐標機器人在針織圓緯機中的應用[J].針織技術。2018.

  [6]荊雄。晶圓搬運機器人的開發及控制系統設計[D].深圳:哈爾濱工業大學,2010,1-2.

  [7]Jing Liu.Research on Obstacle Avoidance of Space Manipulators Based on Cylindrical Bounding Box Model[J].IEEE.2018.

  [8]Mark Yim.Design of a spherical robot arm with the Spiral Zipper prismatic joint[J].IEEE.2016.

  [9]駱盛來。 大載荷搬運機器人結構設計與研究[D].沈陽:東北大學,2010.

  [10]張小光。 重載焊接機器人系統建模與仿真研究[D].沈陽:沈陽大學,2015.

  [11]Shanshuang Shi.Static stiffness modelling of EAST articulated maintenance arm using matrix structural analysis method[J].IEEE.2017.

  [12]羅偉濤; DSP+FPGA 的工業機器人運動控制器的研究。華南理工大學, 2011,1-3.

  [13]王田苗,陶永。我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略。機械工程學報, 2014, 51(9):1-13.

  [14]Luís Fernando.A survey of industrial augmented reality[J].Computers & Industrial Engineering.2020.

  [15]孟盼盼。肖像繪制機器人技術研究[D].中國科學技術大學,2011-08-15.

  [16]趙麟,高哲,楊欣迪; Open MV 視覺的可尋物機械臂的目標抓取與分揀[C]. 第 十六屆沈陽科學學術年會論文集:理工農醫。沈陽市科學技術協會,2019:6.

  [17]H.-K. Lee, S.-I. Chang, and E. Yoon, "A flflexible polymer tactile sensor: Fabrication and modular expandability for large area deployment,"[J].IEEE

  [18]鄒建奇,郎英彤,張憲濱。采用神經網絡方法研究柔性機械臂逆運動學問題[J].吉林建 筑工程學院學報,2011-04.

  [19]宋睿卓。自適應模糊控制及其在機械臂系統中的應用研究[D].天津:天津工業大學, 2008,2-8.

  [20]付容;谥悄軆灮椒ǖ臋C械臂軌跡規劃研究[D].北京:北京工業大學,2011,1-8.

  [21]鄭東鑫。SCARA 機械手系統設計與規劃控制研究[D].浙江大學。2011.

  [22]韓帥。面向木工雕刻的五軸聯動數控機床研發[D].華東理工大學。2015.

  [23]顏建峰,吳寧; PCI 總線的 DMA 高速數據傳輸系統[J].電子科技大學。2007.

  [24]劉冬,汪彬。機器人控制系統數據采集和通訊方法的實現[J].南開大學。2010.

  [25]陸軍,劉其瑞,朱齊丹;谇度胧较到y和 CAN 總線的檢修機械臂控制系統[J].嵌入 式技術。2008.

  [26]劉暾平,廖杰;陔p PLC 的五軸機械手電氣控制系統設計[J].自動化技術與應 用。2013.

  [27]楊松。一種六自由度機械臂運動控制系統設計[D].上海交通大學。2014.

  [28]朱景琳。人口、區域人口紅利對我國經濟增長影響的理論與實證研究[D].湖南:湖南師 范大學,2014,1-2.

  [29]張珊珊,鄭小莉。中國人口老齡化趨勢的時間序列分析[J].統計與決策。2020.

  [30]王國法。杜毅博。德國工業 4.0 與中國煤機裝備智能制造的發展[J].煤炭科學技 術。2019.

  [31]王興山。中國制造業轉型的核心理念與路徑[J].中國工業評論。2015.

  [32]Jin Hwa Jung.Industrial robots,employment growth,and labor cost:A simultaneous equation analysis[J].TFSC.2020.

  [33]Junsuk Choi.A new approach to generate the DH parameters of modular robots[J].IEEE.2017.

  [34]Jeng-DaoLee.Multi-robotic arms automated production line[J].IEEE.2018.

  [35]肖文皓。多軸機械臂運動軌跡優化與開發[D].無錫。江南大學 2013.

  [36]Ondrej Hock.Inverse kinematics using transposition method for robotic arm[J].IEEE.2018.

  [37]Rong-Jyue Wang,Jun-Wei Zhang.The multiple-function intelligent robotic arms[J].IEEE.2009.

  [38]陶永奎,李駿。移動機器人的雙臂結構設計與運動仿真[J].天津理工大學。工業自動化。

  [39]Wanjun Zhang.Study on System Recognition Method for Newton-Raphson Iterations[J].IEEE.2018.

  [40]L.-W. Tsai.The generalized principle of inertia match for geared robotic mechanisms[J].IEEE.1991.

  [41]K. Gupta.Improved numerical solutions of inverse kinematics of robots[J].IEEE.1985.

  [42]范叔炬。機械臂運動學算法設計[D].杭州。 浙江大學 .2008.

  [43]齊丹,王欣璐。六個自由度機械臂逆運動學算法[J].技術與應用。

  [44]V. Kumar.A compact inverse velocity solution for redundant robots[J].IEEE.1998.

  [45]張震、張亞; PSO-RBF 神經網絡的串聯機械臂逆運動學分析[J].科學技術與工 程。2019.

  [46]楊重珍,劉西洋;诟倪M自適應小生境遺傳算法的機械臂逆運動學求解[J].西北工 業大學學報。

  [47]張任其; Hadoop 的深度學習并行計算研究[D].上海交通大學。2017.

  [48]李憲華,盛蕊。六自由度模塊化機器人手臂奇異構型分析[J].農業機械學報。2017.

  [49]盛巍;诙嘧杂啥裙I機械臂的避障路徑規劃技術的研究[D].無錫。江南大學 2012.

  [50]M.H. Ang.Singularity coupling in robotic manipulators[J].IEEE.1991.

  [51]徐扣。六自由度機械臂的逆運動學求解與軌跡規劃研究[D].廣東工業大學。2016.

  [52]熊禾根。液壓驅動機械的設計與關節驅動分析[J].高技術通訊。2017.

(如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

相關內容
相關標簽:機械畢業設計
好優論文定制中心主要為您提供代做畢業設計及各專業畢業論文寫作輔導服務。 網站地圖
所有論文、資料均源于網上的共享資源以及一些期刊雜志,所有論文僅免費供網友間相互學習交流之用,請特別注意勿做其他非法用途。
如有侵犯您的版權或其他有損您利益的行為,請聯系指出,論文定制中心會立即進行改正或刪除有關內容!
日韩精品无码AV中文无码版,人人妻人人爽人人澡欧美一区,国产高清视频一区三区,无码人妻AV一区二区三区
镇远县| 卫辉市| 涟源市| 丰县| 衡南县| 奇台县| 阿城市| 永胜县| 岗巴县| 久治县| 平利县| 合水县| 湖南省| 息烽县| 绍兴市| 和田市| 孟村| 盘锦市| 壶关县| 凤阳县| 武平县| 新巴尔虎右旗| 耒阳市| 犍为县| 东兰县| 广平县| 秦皇岛市| 永仁县| 界首市| 鲁甸县| 夏河县| 石泉县| 襄垣县| 清镇市| 呼图壁县| 裕民县| 电白县| 公主岭市| 隆林| 永善县| 神池县| http://444 http://444 http://444 http://444 http://444 http://444