多關(guān)節(jié)機(jī)械臂前端運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、機(jī)械臂是一種成功的并且被廣泛應(yīng)用的機(jī)械裝置，它同時(shí)也被廣泛地應(yīng)用在機(jī)器人領(lǐng)域。工業(yè)上的組裝、焊接、高溫鑄鍛等繁重工作，很多都用機(jī)械臂輔助人工作業(yè)，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。機(jī)械臂除了用于工業(yè)制造上，商業(yè)農(nóng)業(yè)、醫(yī)療救援、娛樂服務(wù)、軍事保全甚至在太空探索等領(lǐng)域都可以發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　多關(guān)節(jié)機(jī)械臂是由多個(gè)剛性連桿采用多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接構(gòu)成的連桿結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂在某個(gè)關(guān)節(jié)處，與之相接的連桿以它為圓心做轉(zhuǎn)動(dòng)，多個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)

2、械臂的伸縮、升降運(yùn)動(dòng)。這種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與人臂類似，是由大臂、小臂、腕部和手部構(gòu)成的，能實(shí)現(xiàn)人臂的運(yùn)作，活動(dòng)靈活性大。一般來說，機(jī)械臂只是載體，它的工作主要依靠安裝的執(zhí)行器來完成。
　　多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)既可以獨(dú)立運(yùn)動(dòng)也可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，從前端安裝的執(zhí)行器來看，其運(yùn)動(dòng)就是一個(gè)合成效果，它的運(yùn)動(dòng)軌跡也是一個(gè)復(fù)雜曲線。如果機(jī)械臂自動(dòng)操作的是一個(gè)重復(fù)性的動(dòng)作，并不需要太多注意其運(yùn)動(dòng)過程的軌跡，那么控制相對容易。但如果機(jī)械臂是由人工操作，而且不

3、是重復(fù)的工作，例如人們需要控制多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的前端運(yùn)動(dòng)曲線，比如水平往前往后、垂直向上向下，如何有效的去操控，這就是本課題的研究目標(biāo)。
　　本文將以多關(guān)節(jié)機(jī)械臂為對象，結(jié)合目標(biāo)問題展開研究工作。全文主要解決了多關(guān)節(jié)機(jī)械臂前端運(yùn)動(dòng)控制的理論分析和技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基本問題，主要研究內(nèi)容如下:
　　1、對多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和手爪的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)說明并分析各關(guān)節(jié)受力情況。
　　2、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是實(shí)現(xiàn)對其運(yùn)動(dòng)控制的重

4、要理論之一，運(yùn)動(dòng)學(xué)分正向運(yùn)動(dòng)學(xué)和反向運(yùn)動(dòng)學(xué)，前者是由各軸狀態(tài)推導(dǎo)出前端位置，后者是由前端位置推導(dǎo)出各軸狀態(tài)。文章借助機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)數(shù)學(xué)知識和建模方法，建立了多關(guān)節(jié)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為下文研究軌跡規(guī)劃奠定基礎(chǔ)。
　　3、詳細(xì)介紹了機(jī)械臂軌跡規(guī)劃等相關(guān)問題，提出了5種不同的軌跡規(guī)劃方法。分析了機(jī)械臂在未通過控制情況下，原本的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)范圍。為了使機(jī)械臂前端保持垂直上下運(yùn)動(dòng)或水平前后運(yùn)動(dòng)，在機(jī)械臂軌跡規(guī)劃基礎(chǔ)上結(jié)合機(jī)械臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)特

5、點(diǎn)，推導(dǎo)出機(jī)械臂前端垂直水平移位方程表達(dá)式，解決了本課題關(guān)鍵性的目標(biāo)問題。
　　4、對多關(guān)節(jié)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的電路和程序進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。電路部分的設(shè)計(jì)包括上位機(jī)和下位機(jī)處理模塊的選定，上位機(jī)操作模塊的電路設(shè)計(jì)，下位機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，上下位機(jī)控制系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計(jì)，以及上下位機(jī)之間的通信設(shè)計(jì)。另外分別采用了VS2010和C++編程實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)。
　　5、設(shè)計(jì)針對性實(shí)驗(yàn)并分析。測試結(jié)果較好地驗(yàn)證了多關(guān)節(jié)機(jī)械