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UDC 分类号：




六自由度机械臂模块化关节控制技术





作 者 姓 名 李威
学 院 名 称 机械与车辆学院
指 导 教 师 张虎副教授
答辩委员会主席 张之敬教授
申 请 学 位 工学硕士
学 科 专 业 机械工程
学位授予单位 北京理工大学
论文答辩日期 2016 年 1 月
Modular joint control technology of 6-DOF manipulator











Candidate Name： Li Wei
School or Department: Mechanical Engineering
Faculty Mentor: Assciate Prof. Zhang hu
Chair, Thesis Committee： Prof. Zhang Zhijing
Degree Applied: Master of Engineering
Major： Mechanical Engineering
Degree by: Beijing Institute of Technology
The Date of Defence： JANUARY，2016
研究成果声明
本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行
的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，
学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得
北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工
作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的
说明并表示了谢意。
特此申明。

签 名： 日期：
北京理工大学硕士学位论文
摘要
本文主要针对国内研究较少的机械臂模块化关节进行了相关控制技术研究。首先
以模块化关节通过轴线平行式和轴线垂直式连杆构成的六自由度机械臂为研究对象，
综合分析其控制基础。再以模块化关节为研究对象进行了模块化系统集成和总体控制
结构设计以及控制系统的仿真和优化，为模块化关节控制技术的应用提供了理论依据。
在六自由度机械臂控制基础方面主要进行了基于 D-H 参数法的机械臂正运动学
解算，并利用 Matlab Robotic Toolbox 建立了机械臂正运动学数学模型进行了仿真验证。
综合分析了解析解法在机械臂逆运动学方面存在解的存在性、多重性和奇异点等问题，
提出了采用基于 BP 神经网络的运动学逆解算法并进行了数学建模和算法实现，为机
械臂运动学逆解引入了新思路。在建立机械臂正逆运动学模型的基础上进行了机械臂
的关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划算法的仿真分析；在关节空间进行三次多项式和
高阶多项式插值算法的分析并以五次多项式插值算法为例进行了轨迹仿真；在笛卡尔
空间分别就空间直线插补算法和空间圆弧插补算法进行了分析并进行了仿真，分析机
械臂末端轨迹各路径点处的关节位姿。在机械臂动力学方面以机械臂任意关节为研究
对象，建立了拉格朗日方程并具体分析了机械臂动力学正问题和动力学逆问题；结合