机械设计角度下六自由度机械臂轨迹跟踪控制

时间:2021-01-05 20:40 | 栏目:机械论文 | 浏览:次

硕士论文网第2021-01-05期，本期硕士论文写作指导老师为大家分享一篇机械论文文章《机械设计角度下六自由度机械臂轨迹跟踪控制》，供大家在写论文时进行参考。

本篇论文是一篇机械硕士论文范文，本文研究的 REBot-V-6R-650 机械臂，是一个复杂、强耦合的非线性系统，对其进行轨迹规划和跟踪控制也是一个复杂的过程。为了描述机械臂的运动状态，需要对其进行运动学分析和动力学分析。

1 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

机器人这一概念是近几十年的才出现的，但是我国古代时期，就已经有能人巧匠设计出了会飞的木鸟、能搬运的“木牛流马”，17 世纪的日本有了机器玩偶，能自动给人表演，18 世纪有人设计了一只能模拟真实鸭子进食、排泄的机器鸭。20世纪 60 年代，美国开创了工业机器人的先河，自此打开了机器人世界的大门，更多的专家和学者投身到机器人技术的研究之中。几十年的机器人的研究和发展，大致可以分为三个时期，分别是程序控制时代、自适应时代、智能时代。程序控制时代(第一代)，这个时期的机器人是只能完全按照预定的程序进行动作，要想实现其他的功能或者环境发生变化，只能重新设计程序。自适应时代(第二代)，机器人已经具备多种传感器，可以利用计算机对其进行控制。利用自身具备的视觉、听觉以及触觉传感器可以收集环境和操作对象的信息，传输到计算机端由程序进行分析和处理，以控制机器人的动作。智能时代(第三代)，机器人具有类似于人的智能，像阿尔法狗、银行自助机器人。他们配有多种感觉器官，具有感知环境的能力，能从其他地方获取有用的信息，具有和人类似的思维能力，对获取到的信息进行处理，正确、灵巧的控制自己的行为。但是人本身是一个非常复杂的系统，想要研究出真正的科幻电影中的智能机器人还需要一段时间。目前所研制出来的机器人只是拥有部分智能，但现在机器人已经迅速发展为一种高技术的产业。

1.2 机械臂研究存在的问题

本文研究的 REBot-V-6R-650 机械臂，是一个复杂、强耦合的非线性系统，对其进行轨迹规划和跟踪控制也是一个复杂的过程。为了描述机械臂的运动状态，需要对其进行运动学分析和动力学分析。机械臂末端一般在笛卡尔空间进行任务作业，无论什么样的轨迹，都需要在笛卡尔空间进行插补获得插补点的序列，然后再映射到关节空间通过运动学逆解来获得关节的角度。要完成一次理想的轨迹规划，必须要保证笛卡尔空间和关节空间的曲线都是平滑的。这需要根据机械臂末端的预期轨迹，在一定的约束条件下，设计关节参数随时间的变化规律。在对机械臂进行轨迹规划，得到期望轨迹之后，机械臂要准确的跟踪既定轨迹，首先机械臂的关节动需要伺服电机对关节施加力矩，这个力矩的大小需要通过动力学解出。而机械臂的动力学参数本身就不容易获取，同时外界还存在干扰和其他不可避免的因素，这些因素会导致机械臂的跟踪精度发生变化。同时机械臂的动力学模型很难精确建立，如何选取一种合适的不需要精确动力学模型的控制算法这是实现高精度轨迹跟踪的一个难题。

2 机械臂简介

2.1 硬件部分

本文使用的机械臂是某公司生产的 REBot-V-6R-650 型六自由度机械臂，它是一种典型的串联机械臂。串联机械臂是利用多个连杆将机械臂的关节轴进行串联，使用电机带动各个关节轴的动作，带动连杆进行相对运动，使得机械臂末端完成各种作业任务。为了研究方便现将机械臂的每个轴依次进行编号，从基座到末端执行器，由下至上依次为 1-6 轴。该机械臂使用运动控制卡作为控制单元，提供一个开放的实验平台，通过接受上位机的命令实现对机械臂的控制。它的基本参数见下表。

2.2 机械臂的控制流程部分

首先要建立与机械臂的连接，上位机与机械臂的通讯是通过 10M 的以太网进行的，在同网段为连接的每个设备设置独立的 IP 地址，采用 TCP/IP 通讯协议。连接成功之后判断机械臂的位姿，获取轨迹规划信息，将轨迹信息分解成机械臂末端的位姿序列，通过运动学逆解得到轨迹点的机械臂位姿对应的关节的期望角度，在运动卡接收到命令后，对命令进行编辑，之后将解析的命令发送至电机的驱动器，电机驱动器此时控制机械臂的关节进行运动，再利用编码器来确定电机的位置并适当调整。

3 机械臂运动学分析

3.1 运动学基础

3.2 运动学分析

3.3 仿真验证

3.4 本章小结

4 轨迹规划

4.1 关节空间轨迹规划

4.2 笛卡尔空间轨迹

4.3 仿真实验

4.4 本章小结

5 机械臂跟踪控制算法

5.1 系统动力学模型

5.2 自适应模糊反演控制

5.3 自适应迭代学习控制

5.4 本章小结

总结

对于机械臂的研究是通过查找相关资料和手册，一步步了解机械臂的相关知识开始的，机械臂是一个及其复杂的系统，具有非线性、强耦合性、输入输出参数多等特点，为实现六自由度机械臂的轨迹跟踪控制，需要对其进行循序渐进的研究。本文总体研究思路如下，首先对机械臂进行正向运动学建模，求得其运动学逆解，根据逆解进行轨迹规划，因实际中存在扰动要实现轨迹的高精度控制，需要对系统进行轨迹跟踪控制算法的研究。本文采用 REBot-V-6R-650 为研究模型，进行了如下研究：

(1)对机械臂进行建模，利用标准 D-H 参数法得到机械臂的正向运动学模型，为了方便对其进行轨迹规划的研究，需要对正向运动学方程进行逆向求解，得到位姿对应的关节角度。由于所选机械臂满足 Pieper 准则，我们可以通过解析法进行解耦，获得其运动学逆解。运用蒙特卡罗法对其工作空间进行分析，并通过仿真验证了运动学模型的合理性。

(2)对机械臂进行轨迹规划，运用五次多项式插值和空间直线插值法进行仿真，得到各关节变量的变化过程，直观的演示了机械臂的轨迹规划过程。
(3)运用拉格朗日法对机械臂进行动力学分析，在保证机械臂动态特性的前提下，建立了机械臂的简化模型。针对简化模型应用自适应模糊反演控制和自适应迭代控制进行仿真分析，在随着迭代次数的增加自适应迭代学习能够逐渐跟踪轨迹，当迭代次数趋于无穷时，能够实现完全跟踪。

因受疫情影响，本文仅对机械臂进行了运动学分析、轨迹规划以及跟踪控制的研究，并未在机械臂上进行实际控制。机械臂的相关研究是一项具有深度的工作，还有很多方面可以进一步探索。

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