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基于模糊控制下多自由度机械手臂控制技术的研究

作　者: 陈玄
导　师: 杨风
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 教学机器人六自由度手臂控制模糊神经网络三维技术
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

教学机器手臂集成了电气、计算机、工程力学、机械设计、控制技术、传感器技术等知识，一直是研究人员进行算法研究、控制系统设计的研究热点。教学机器手臂的灵活运转要6个自由度，目前部分高校研制的机器手臂中多为5自由度以下，这些机器手臂结构过于简单、功能单一并且没有开放性，大多无法实现仿生等高级功能。本文针对当前教学机器手臂的缺点，秉承开放式设计的思想，即机械结构开放、控制系统开放、软件开放，提出一种六自由度机器手臂的设计方案。该机器手臂采用全铝合金材质和独立的6关节驱动控制系统，通过末端执行器的传感器可实现仿生功能，涉及机械、控制、传感器和计算等方面的知识教学，且进行算法研究等。本文设计的机器手臂采用直流伺服电机同精密谐波减速器配合驱动关节运动，具有精度高、控制性能好、结构简单的特点。机器手末端执行器采用步进电机同涡轮蜗杆减速器配合控制，其大堵转力矩利于抓取物体，通过设定的电阻应变计，可测量抓取力大小，实现仿生功能。同时还对机器手臂设计了必要的保护措施，确保机器手臂工作安全。针对机器手臂运动具有非线性等特点，采用了模糊神经网络算法，论文阐述了控制算法的实现方法，并通过Matlab进行了仿真，得到了较好的控制性能。同时用VC++编程软件、OPenGL三维技术等设计了控制软件，采用简单明了的自定义语言进行编程输入，从而实现用户的不同控制用途。其开放的动态链接库，方便于采用不同控制算法的二次开发。最后对设计的机械手臂和控制系统进行了实际操作测试，结果表明，该教学用机器手臂精度完全符合给定要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-14
  1.1 课题来源及研究意义  10-11
  1.2 教学机器人国内外研究状况  11-12
  1.3 控制理论在教学机器手臂控制的研究现状  12-13
  1.4 论文主要研究内容  13-14
2 六自由度机器手臂的组成及运动分析  14-22
  2.1 六自由度机械臂的机构组成  14-15
  2.2 六自由度机器手臂的运动学分析  15-20
    2.2.1 六自由度机械手臂的运动学模型  15-16
    2.2.2 六自由度机械臂的矩阵正向求解  16-20
  2.3 六自由度机械手臂的运动逆解  20-21
  2.4 本章小结  21-22
3 六自由度机器手臂控制系统结构  22-40
  3.1 六自由度机器手臂的组成  22-26
    3.1.1 传感器  23-24
    3.1.2 电机执行器  24-26
  3.2 六自由度机械手臂控制系统设计  26-36
    3.2.1 伺服系统设计  27
    3.2.2 控制器及 CPLD 选型  27-31
    3.2.3 伺服电机硬件驱动  31
    3.2.4 步进电机硬件驱动  31-32
    3.2.5 测力传感器  32-33
    3.2.6 USB 通讯接口设计  33-35
    3.2.7 其他辅助电路设计  35-36
  3.3 六自由度机械手臂的运动空间  36-39
    3.3.1 六自由度机器手臂运动空间概述  36-37
    3.3.2 运动空间的形成  37
    3.3.3 工作空间中的空腔和空洞  37-38
    3.3.4 理想工作空间的包络面分析  38-39
  3.4 本章小结  39-40
4 基于模糊神经网络的机器手臂控制算法研究  40-57
  4.1 模糊控制理论概述  40-43
  4.2 神经网络控制概述  43-45
  4.3 模糊神经网络的结构  45-46
  4.4 基于模糊神经网络的机械手臂位置控制  46-48
    4.4.1 机械手臂模糊描述  46-47
    4.4.2 模糊神经网络控制的流程图和总体步骤  47-48
  4.5 基于模糊神经网络机器手臂控制的建模与分析  48-56
    4.5.1 机械手臂的数学建模  48-52
    4.5.2 模糊神经网络控制算法的 MATLAB 建模与分析  52-55
    4.5.3 机械手臂控制系统的仿真  55-56
  4.6 本章小结  56-57
5 基于 OpenGL 技术的软件系统设计  57-68
  5.1 OpenGL 技术的实现  57-59
    5.1.1 OpenGL 的概述  57
    5.1.2 OpenGL 三维成形过程  57-59
  5.2 基于 VC++中的 OpenGL 技术的实现  59-61
    5.2.1 VC++编程平台  59
    5.2.2 OpenGL 3D 建模工具  59-60
    5.2.3 三维建模应用中的考虑  60-61
  5.3 基于 WIN Driver 的 USB 驱动开发  61-62
  5.4 软件系统的设计  62-65
  5.5 机器手臂性能测试与分析  65-67
    5.5.1 性能测试  65-67
    5.5.2 性能分析  67
  5.6 本章小结  67-68
6 总结与展望  68-70
  6.1 总结  68
  6.2 展望  68-70
参考文献  70-74
攻读硕士学位期间所发表的论文及研究成果  74-75
致谢  75-76

基于模糊控制下多自由度机械手臂控制技术的研究

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