_六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真

题主要开展了以下几个方面的工作： 首先，依据工作空间中机械臂抓持器要想达到任意位姿，至少需要六个自由 度的结论，采用了六自由度链式关节的结构。根据自平衡机器人的尺寸设计了一 套机械臂的结构方案，并通过各连杆的质量，采用静力学估算各个关节的力矩， 从而选择与之匹配的电机。采用了一种基于 CAN 总线分布式的控制方案。将工 控机和关节控制器挂在 CAN 总线上。工控机主要功能是对关节控制器进行监控， 同时也完成机械臂运动学、轨迹规划方面算法的实现。关节控制器采用 TI 公司 的 TMS320LF2407 DSP ，主要实现位置，速度和力矩伺服控制算法的实现。 其次，采用标准的 D-H 建模方法，建立了机械臂的数学模型。对机械臂的 正运动学进行了分析，采用解析法对关节角进行解耦运算，推导出了逆运动学的 封闭解析解，并采用功率最省做为性能指标，确定了唯一解。使用基于 Matlab 平台下的 Robotics Toolbox 机器人工具箱对推导过程的正确性进行了验证与仿 真。 再次，重点分析了机械臂在关节空间中轨迹规划的两种实现方法：三次多项 式和五次多项式轨迹规划方法。仿真结果表明三次多项式轨迹规划方法计算量较 小，但是不能保证角加速度连续；五次多项式轨迹规划方法计算量较大些，但能 够保证角加速度的连续性，从而使电机平稳地运行。然后又在笛卡儿空间中对机 械臂进行了轨迹规划，采用了空间直线和空间圆弧插补算法，详细地介绍了这两 种轨迹计划的实现算法，并且对种插补算法进行了仿真实验。 最后，根据六自由度机械臂的构型，基于 MFC 框架类和 Open GL 图形库， 在 VC++6.0 开发平台上专门开发了一套适用于这种构型的三维仿真工具。仿真 工具把运动学和轨迹规划算法融入了其中，有效地验证了机械臂数学模型以及 正、逆运动学求解过程的正确性，并且对四种轨迹规划方法的效果做了直观的比 较。有效地解决了运动学和轨迹规划分析结果不易验证以及在实际本体上试验成 本较高的问题。