六自由度机械臂设计与控制：理论、构型与仿真

"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和运动学仿真，作者马江在导师孙亮指导下，针对机械臂的研究进行了深入的分析和实践。" 在机械臂的设计过程中，自由度的选择至关重要。六自由度机械臂因其能够到达空间中的任意位姿，且不会出现冗余问题，成为一种常见的构型。这种机械臂由六个旋转关节构成，允许末端执行器在三维空间中实现全方位运动。确定自由度后，需要合理布局关节以分配这些自由度，确保机械臂的灵活性和功能完整性。 机械臂的构型选择对正、逆运动学的推导有着直接影响。六自由度串联机械臂通常设计为后三个关节轴线相交于一点，形成腕关节原点，这样的设计具有封闭解，便于实时控制。这种结构由定位结构和定向结构（手腕）组成，前三个关节决定位置，后三个关节决定姿态。 在控制系统设计上，论文采用了基于CAN总线的分布式方案，工控机与关节控制器通过CAN总线通信，实现对关节控制器的监控和运动学、轨迹规划算法的实现。关节控制器选用TI公司的TMMS320LF2407DSP，执行位置、速度和力矩伺服控制。 论文还涉及了机械臂的数学建模，使用D-H参数法建立模型，并对正、逆运动学进行了分析。通过解析法解耦关节角，找到了逆运动学的封闭解析解，并以功率最省为优化目标，确保了唯一解。使用Matlab的Robotics Toolbox进行仿真验证了推导过程的正确性。 轨迹规划方面，论文比较了三次多项式和五次多项式两种方法。三次多项式计算量小但不保证角加速度连续，而五次多项式虽计算量稍大，却能保证电机运行的平滑性。此外，还在笛卡尔空间中进行了轨迹规划，应用了空间直线和空间圆弧插补算法，通过仿真验证了这两种插补算法的性能。 最后，作者开发了一款基于MFC和OpenGL的三维仿真工具，将运动学和轨迹规划算法集成，直观展示不同规划方法的效果，有效验证了理论计算的准确性，并降低了实际测试的成本。 该论文全面涵盖了六自由度机械臂的硬件设计、控制策略、运动学建模、轨迹规划等多个关键领域，提供了深入的理论分析和实践应用，对于理解与开发六自由度机械臂系统具有重要参考价值。