六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真研究

"北京工业大学硕士学位论文——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机械臂系统的设计与仿真，特别是针对六自由度机械臂的控制系统和运动学分析。论文作者马江在导师孙亮的指导下，深入研究了机械臂的关键组成部分和技术。 首先，论文阐述了机械臂的重要性，并指出一个完整的机械臂系统由机械结构、硬件、软件和算法四大模块构成。在设计六自由度机械臂时，依据工作空间的需求，选择了链式关节结构，并通过静力学分析估算关节力矩，选取合适的电机。控制方案采用基于CAN总线的分布式系统，其中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，而关节控制器则采用TI公司的TM320LF2407DSP芯片，执行位置、速度和力矩的伺服控制。 接下来，论文详细介绍了用D-H参数法建立的机械臂数学模型，分析了正运动学，通过解耦运算推导出逆运动学的封闭解析解。同时，以功率最省原则确定了解的唯一性。借助Matlab的Robotics Toolbox工具箱进行了模型验证和仿真。 在轨迹规划方面，论文对比分析了关节空间中的三次多项式和五次多项式方法。三次多项式规划虽计算量小，但无法确保角加速度的连续性；五次多项式方法虽然计算量稍大，但能保证角加速度连续，有利于电机的平滑运行。此外，论文还讨论了笛卡尔空间中的空间直线和空间圆弧插补算法，详细描述了实现过程并进行了仿真实验。 最后，论文开发了一套基于MFC框架和OpenGL图形库的三维仿真工具，该工具集成了运动学和轨迹规划算法，有效验证了数学模型和运动学解算的准确性，并直观比较了四种轨迹规划方法的效果。这套仿真工具解决了验证复杂性和实验成本高的问题。 总结来说，这篇论文深入研究了六自由度机械臂的控制系统设计，运动学建模，轨迹规划方法及其在三维仿真中的应用，为机械臂技术的发展提供了理论基础和实践指导。