多關(guān)節(jié)機械臂前端運動控制研究.pdf

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

2、械臂的伸縮、升降運動。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，能實現(xiàn)人臂的運作，活動靈活性大。一般來說，機械臂只是載體，它的工作主要依靠安裝的執(zhí)行器來完成。
　　多關(guān)節(jié)機械臂的每個關(guān)節(jié)既可以獨立運動也可以同時運動，從前端安裝的執(zhí)行器來看，其運動就是一個合成效果，它的運動軌跡也是一個復雜曲線。如果機械臂自動操作的是一個重復性的動作，并不需要太多注意其運動過程的軌跡，那么控制相對容易。但如果機械臂是由人工操作，而且不

3、是重復的工作，例如人們需要控制多關(guān)節(jié)機械臂的前端運動曲線，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。
　　本文將以多關(guān)節(jié)機械臂為對象，結(jié)合目標問題展開研究工作。全文主要解決了多關(guān)節(jié)機械臂前端運動控制的理論分析和技術(shù)實現(xiàn)兩個基本問題，主要研究內(nèi)容如下:
　　1、對多關(guān)節(jié)機械臂的關(guān)節(jié)、動力機構(gòu)和手爪的結(jié)構(gòu)及特點進行詳細說明并分析各關(guān)節(jié)受力情況。
　　2、機械臂運動學分析是實現(xiàn)對其運動控制的重

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

5、點，推導出機械臂前端垂直水平移位方程表達式，解決了本課題關(guān)鍵性的目標問題。
　　4、對多關(guān)節(jié)機械臂控制系統(tǒng)的電路和程序進行設(shè)計和實現(xiàn)。電路部分的設(shè)計包括上位機和下位機處理模塊的選定，上位機操作模塊的電路設(shè)計，下位機的電機驅(qū)動電路，上下位機控制系統(tǒng)的電源模塊設(shè)計，以及上下位機之間的通信設(shè)計。另外分別采用了VS2010和C++編程實現(xiàn)了上位機控制系統(tǒng)和下位機控制系統(tǒng)。
　　5、設(shè)計針對性實驗并分析。測試結(jié)果較好地驗證了多關(guān)節(jié)機械