六自由度机械臂运动学仿真与控制研究

"本文档主要介绍了六自由度机械臂的控制系统设计和运动学仿真的相关知识，作者马江，是北京工业大学硕士研究生的学位论文。文中深入探讨了机械臂的结构设计、数学建模、运动学分析、轨迹规划以及仿真工具的开发。" 在机械臂控制系统设计中，六自由度被选用以确保末端执行器能够达到工作空间内的任意位置。机械臂的结构设计考虑到各连杆质量和静态力学，以选择合适的电机，电机与CAN总线分布式控制系统相结合，实现关节的精确控制。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TMMS320LF2407DSP芯片，实现位置、速度和力矩的伺服控制。 在数学建模方面，D-H参数法被用来建立机械臂的正运动学模型。通过对关节角的解耦运算，得到了逆运动学的封闭解析解，以功率最省原则确定唯一解。利用Matlab的Robotics Toolbox进行仿真验证了这些计算过程的正确性。 轨迹规划是机械臂运动的关键环节。论文中对比了关节空间中的三次多项式和五次多项式规划方法。三次多项式规划计算简单但角加速度不连续，可能导致电机运行不平稳；而五次多项式规划虽计算复杂，却能保证角加速度的连续性，利于电机稳定运行。在笛卡儿空间中，通过空间直线和圆弧插补算法进行轨迹规划，这些算法的详细实现过程也在文中阐述，并通过仿真实验进行了验证。 最后，作者基于MFC和OpenGL开发了一个三维仿真工具，将运动学和轨迹规划算法集成在内，有效验证了机械臂的数学模型和运动学解算过程的准确性，同时也直观比较了不同轨迹规划方法的效果，解决了验证困难和实验成本高的问题。 这篇论文全面涵盖了六自由度机械臂从硬件设计、数学建模到控制策略和仿真验证的各个环节，为机械臂的研究和应用提供了详实的理论基础和技术参考。