六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真研究

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"本章小结-数理统计(第二版)赵选民,徐伟等" 本文档主要探讨了六自由度机械臂的设计、控制系统构建以及运动学仿真,作者马江在硕士学位论文中深入研究了机械臂的重要组成部分和控制策略。在设计阶段,机械臂的自由度和构型是关键考虑因素,最终选择了六自由度链式关节结构,适用于自平衡机器人的尺寸。通过静力学分析计算关节力矩,进而选择合适的电机。 在控制系统设计中,提出了基于CAN总线分布式控制方案,工控机与关节控制器连接在CAN总线上,工控机负责监控关节控制器并实现运动学和轨迹规划算法;关节控制器则利用DSP2407芯片执行位置、速度和力矩伺服控制。该系统经过调试,所有部分都能正常运行。 在数学建模方面,论文采用DH参数法建立机械臂的数学模型,对正逆运动学进行了详细分析,得到逆运动学的封闭解析解,并通过Matlab的Robotics Toolbox进行仿真验证。 在轨迹规划中,对比了三次多项式和五次多项式两种方法,前者计算量小但角加速度不连续,后者计算量稍大但能保证角加速度连续,有利于电机平稳运行。同时,在笛卡儿空间中,使用空间直线和空间圆弧插补算法进行轨迹规划,并进行了仿真实验。 最后,开发了一套基于MFC和OpenGL的三维仿真工具,该工具整合了运动学和轨迹规划算法,可直观验证模型和求解过程的正确性,降低了实际试验的成本。 关键词: 机械臂,六自由度,CAN总线,控制方案,数学模型,运动学仿真,轨迹规划,三维仿真工具。