六自由度机械臂控制系统设计与仿真研究

"六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真" 这篇硕士学位论文主要探讨了六自由度机械臂的控制系统设计及其运动学仿真的方法。六自由度机械臂因其能够在三维空间中实现全方位运动，被广泛应用于工业自动化和机器人技术中。论文作者马江在导师孙亮的指导下，对这一领域的关键技术和理论进行了深入研究。 首先，论文阐述了机械臂控制系统的设计思路。为了实现机械臂在工作空间内的任意位姿，选择了具有六个自由度的链式关节结构。设计时，考虑了机械臂的尺寸，通过对各连杆质量的静态分析估算关节所需的力矩，进而选取合适的电机。控制系统采用了CAN总线分布式方案，将工控机与关节控制器连接，实现对关节的监控和运动控制算法的执行。工控机负责监控关节控制器并处理运动学和轨迹规划算法，而关节控制器则采用TI公司的TM S320LF2407 DSP芯片，实现位置、速度和力矩的伺服控制。 接下来，论文利用D-H参数建模方法建立了机械臂的数学模型。通过对机械臂的正运动学分析，运用解析法进行关节角的解耦运算，得到了逆运动学的封闭解析解。同时，以功率最省为优化指标，确保了解的唯一性。通过Matlab的Robotics Toolbox工具箱进行仿真验证了这些计算过程的正确性。 论文还重点对比了两种关节空间轨迹规划方法：三次多项式和五次多项式。三次多项式方法计算量较小，但角加速度不连续，可能导致电机运行不平滑；五次多项式方法虽然计算量大，但能保证角加速度连续，有利于电机稳定运行。在笛卡尔空间中，论文提出了空间直线和空间圆弧的插补算法，并详细阐述了其实现步骤，通过仿真验证了这两种轨迹规划的有效性。 最后，马江基于MFC框架和OpenGL图形库，在VC++6.0环境下开发了一个针对该六自由度机械臂的三维仿真工具。该工具整合了运动学和轨迹规划算法，能够直观验证数学模型和运动学解算的准确性，同时减少了在实体机械臂上实验的成本。这不仅简化了运动学和轨迹规划结果的验证，还降低了实验成本。 这篇论文详尽地探讨了六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真的各个方面，为实际应用提供了理论和技术支持。