四自由度机械臂控制研究.pdf

硕士学位论文 M. D. Thesis 四自由度机械臂控制研究 Four-DOF Manipulator Control Study 崔涛 Cui Tao 二○一四年五月万方数据郑重声明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的,学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为,否则, 本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果,特此郑重声明。学位论文作者(签名): 年月日万方数据学位论文使用授权书本论文作者完全了解学校关于保存、使用学位论文的管理办法及规定,即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,接受社会监督。本人授权西北师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入学校有关数据库和收录到《中国博士/硕士学位论文全文数据库》进行信息服务,也可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存或汇编本学位论文。本论文提交□当年/□一年/□两年/□三年以后,同意发布。若不选填则视为一年以后同意发布。注:保密学位论文,在解密后适用于本授权书。作者签名: 导师签名: 年月日万方数据西北师范大学研究生学位论文作者信息论文题目四自由度机械臂控制研究姓名崔涛学号 2011211184 专业名称电路与系统答辩日期 2014年5月联系电话 ********** E_mail tao_love2009@ 通信地址(邮编):甘肃省兰州市安宁区安宁东路967号(730070) 备注: 万方数据西北师范大学硕士学位论文 I 摘要机械臂作为家庭服务机器人的执行机构,它对家庭服务机器人能否完成特定任务起着重要的作用,因此,对机械臂的研究也是家庭服务机器人技术发展的过程中的主要课题。而机械臂的控制理论、运动学和人机交互则是机械臂领域研究的重点和热点。本文以四自由度机械臂为研究平台,阐述了机械臂设计过程中的热点和难点问题,针对这些难点问题采用了PC+FPGA作为控制核心,同时应用反变换法和几何法来求取运动学逆解,设计了一台适合家庭服务机器人的机械臂系统,并对机械臂系统软硬件设计及仿真做了详细的说明。首先,本文在国内外相关机械臂的研究基础上,根据机械臂研究的关键技术和难点,同时结合家庭服务机器人的发展需求,对这些关键技术和难点问题展开讨论,并在第二章通过对机械臂应用D-H参数法建立运动学模型,分析机械臂的正解和逆解的求解方法,针对求取运动学逆解时存在的难点,提出了同时采用反变换法和几何法的逆解求解方法。其次,在机械臂硬件设计时采用功能强大、设计灵活方便的FPGA作为运动控制核心,并对FPGA控制器的资源进行了详细的介绍,然后从机械结构设计、驱动系统设计、直流伺服电机驱动器和增量式光电编码器四方面对硬件设计做了说明。再次,分别从FPGA平台和PC机两方面对机械臂的软件设计进行介绍。其中 PID算法是机械臂运动控制的主要算法,UART通信协议是FPGA和PC机进行数据传递的主要方式,编码器信号是机械臂的反馈信号,依次介绍了其在FPGA平台的实现方法。而PC机软件是机械臂和人之间交互的窗口,它是方便、灵活、人性化控制机械臂的重要手段。最后,借助MATLAB软件及Robotics Toolbox for MATLAB工具箱,对运动学正解、运动学逆解和轨迹规划做了仿真,这些仿真验证了四自由度机械臂设计的合理性。为机械臂的改进和完善提供了重要依据。关键词:机械臂;FPGA;D-H参数;求逆解;MATLAB 万方数据四自由度机械臂控制研究 II Abstract As the actuating mechanism of a home service robot, Manipulator plays an important role in the plishment of a specific task for home service robot , therefore, study of the Manipulator is a key subject in the process of the development of home servicerobot technology. And the control theory of Manipulator, kinematics and man-machine interaction are important and hot spots in the field of Manipulator research. The four degree of freedom robotic is the research platform in this paper, and it d