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多自由度机器人的设计与研究

作　者: 李健
导　师: 杨杰；许旻
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 五自由度机器人机构设计运动学分析仿真两级控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 479次
引　用: 9次
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内容摘要

机器人是近几十年来才迅速发展起来的,最为典型的机电一体化产品,它现在被应用在人类生活的各个方面,其中小型化、轻量化和多功能的排爆机器人,在军事上极具应用和研究价值。正是因为这个原因,本文设计和研究了一个轻型的多关节机器人,它可以安装在实验室已有的移动平台上,构成排爆机器人,从而实现更大的用途。本文在研究了国内外众多相关机器人的基础上,根据项目要求设计了机器人的整体方案和具体的机械结构,机器人为五个自由度关节型串连机器人,全部采用转动关节,关节处采用行星齿轮减速器和蜗轮蜗杆机构的两级减速机构来增加速比,从而以小的机构获得大的减速比,由直流电机驱动。为了进一步的控制上的需要,在已得到的机器人三维模型的基础上,本文对机器人进行了运动学方面的研究,包括建立了机器人连杆坐标系以及参数表;推导出机器人的正、逆运动学矩阵方程;得到了正、逆运动学方程的解;并且用Matlab软件中的Robotics Toolbox工具箱对其进行了仿真。本研究采用PC+DSP的两级控制方式,上层用PC机进行轨迹的规划以及运动学求解,并将求得的结果通过串口传给下层执行;下层为自制的运动控制器,以双DSP芯片为核心,控制和驱动各个电机,采用高精度的光电编码器作为速度和位置的反馈元件,从而带动各个关节运动,能够实现位置控制、速度控制以及电流的控制。研究了单关节的PID控制算法,并对其进行了仿真,得到较理想的结果。另外,本文还对控制系统的软件系统进行了总体的描述。最后,对机器人系统进行了简单的试验,并和仿真结果进行了对比,得到了满意的结论。以上所做的研究以及得出的结论和数据都为进一步的工作奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-16
  1.1 研究背景  9
  1.2 国内外机器人研究状况  9-13
    1.2.1 国外机器人发展状况  9-11
    1.2.2 我国机器人发展状况  11-13
  1.3 课题来源及研究内容  13-16
    1.3.1 课题来源  13-14
    1.3.2 设计要求  14
    1.3.3 研究内容  14-16
第二章机器人的机构设计  16-28
  2.1 总体方案的确定  16-19
    2.1.1 机构的选型  16-17
    2.1.2 驱动方式的选择  17
    2.1.3 传动方案的选择  17-18
    2.1.4 总体结构设计  18-19
  2.2 具体结构的设计  19-26
    2.2.1 电机力矩的计算以及驱动电机的选择  19-22
    2.2.2 减速器的设计  22-23
    2.2.3 手臂的设计  23-24
    2.2.4 手部的设计  24-25
    2.2.5 支撑架的设计  25-26
  2.3 总体效果  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章机器人运动学分析及仿真  28-40
  3.1 运动学分析  28-35
    3.1.1 引言  28
    3.1.2 连杆参数  28-30
    3.1.3 连杆坐标系  30-31
    3.1.4 连杆变换和运动学方程  31-32
    3.1.5 运动学方程的正解  32-34
    3.1.6 运动学方程的逆解  34-35
  3.2 运动学仿真  35-39
    3.2.1 构建机械臂  36
    3.2.2 驱动机械臂  36
    3.2.3 轨迹的仿真  36-38
    3.2.4 仿真结果分析  38-39
  3.3 本章小结  39-40
第四章机器人运动控制系统及硬件设计  40-59
  4.1 运动控制系统总体设计  40-49
    4.1.1 运动控制系统的选型  40-42
    4.1.2 DSP 的选择  42-44
    4.1.3 直流电机的控制基础  44-46
    4.1.4 PWM 波的产生  46-47
    4.1.5 运动件的定位  47
    4.1.6 零位的选择  47-48
    4.1.7 总体控制方案设计  48-49
  4.2 硬件电路的实现  49-56
    4.2.1 引言  49-50
    4.2.2 单元电路的设计  50-55
    4.2.3 整体硬件电路  55-56
    4.2.4 硬件电路中的注意事项  56
  4.3 机器人用到的传感器  56-58
  4.4 本章小结  58-59
第五章机器人软件系统的设计  59-67
  5.1 总体结构  59
  5.2 上位机控制软件  59-61
  5.3 下位机控制软件  61-65
    5.3.1 引言  61
    5.3.2 下位机软件流程图  61-62
    5.3.3 DSP 软件开发环境  62-63
    5.3.4 单关节PID 控制算法  63-65
  5.4 本章小结  65-67
第六章机器人的试验  67-70
  6.1 机械臂试验平台  67
  6.2 机械臂的实验  67-69
    6.2.1 联动实验  67-68
    6.2.2 负载实验  68
    6.2.3 控制系统的实验  68-69
  6.3 本章小结  69-70
第七章结论与展望  70-72
  7.1 研究结论  70
  7.2 后续工作的展望  70-72
参考文献  72-75
附录1 机械臂装配图  75-76
附录2 控制板原理图  76-77
附录3 驱动板原理图  77-78
致谢  78-79
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  79

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