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双臂强耦合系统的运动规划与控制的研究

作　者: 禹超
导　师: 刘宏
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 双臂强耦合系统七段式轨迹规划虚拟关节法阻抗控制协调控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

为了满足复杂任务的需求，双臂冗余度机器人应运而生，相比于非冗余度单臂机器人而言，双冗余度机械臂在控制器设计、逆运动学求解、运动规划和协调控制方面对研发者提出了更高的要求。本文根据双臂系统的控制需要，采用了中央控制器——多关节控制器的分层控制构架。根据关节控制的需要，设计了以现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）为核心，嵌入式NIOS II微处理器为平台的关节控制器。关节控制器能够快速采集传感器信息，并与中央控制器通过高速总线通信，保证了控制的实时性。其次，针对双机械臂夹持刚性物体这一强耦合系统，分析了系统的运动约束，结合双臂系统的任务需求，提出了一种七段笛卡尔轨迹规划方法，该方法规划的轨迹具有速度、加速度连续的特点，此外速度、加速度和jerk值（加速度的导数）均被限定在给定范围内，保证了机械臂系统的安全。然后，建立了双臂系统的D-H坐标系，推导了机械臂的正运动学。为了得到速度的逆解，提出了一种改进的梯度投影法，该方法能够有效的处理机械臂的奇异位姿，对关节进行速度限制，并能保证关节速度与笛卡尔速度同步。针对具有偏置腕关节的七自由度机械臂，分析了常用解析方法的不足，提出了一种利用虚拟关节求解逆运动学的解析方法，该方法具有很高的位置精度。最后，建立了双臂系统的动力学模型，设计了PD+重力补偿的位置控制器。在SimMechanics平台中按照机械臂的名义动力学参数建立了双臂系统，并联合Matlab Simulink建立了仿真环境，通过对双臂的位置控制仿真发现，双臂均采用位置控制会导致系统接触力过大，继而使相对位置误差增大。为了实现对接触力的控制，基于给定力的笛卡尔阻抗控制被应用到机械臂中，从而建立了位置/阻抗协调控制器。仿真结果表明，采用位置/阻抗协调控的双臂系统能够很好的跟踪给定的接触力并能减小双臂间的相对位置误差。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-8
第1章绪论  8-18
  1.1 课题研究的目的和意义  8
  1.2 冗余度双臂机器人的国内外研究现状分析  8-16
    1.2.1 国内外双臂机器人的研究现状  8-12
    1.2.2 冗余度机械臂的逆运动学  12-14
    1.2.3 笛卡尔空间轨迹规划  14-15
    1.2.4 双臂协调操作概述  15-16
  1.3 主要研究内容  16-17
  1.4 本章小结  17-18
第2章双臂系统关节控制器的设计  18-28
  2.1 双臂控制系统的总体硬件设计  18-19
  2.2 关节控制器的设计  19-27
    2.2.1 电源设计  20-21
    2.2.2 传感器系统  21-23
    2.2.3 电机驱动器  23
    2.2.4 失电制动器电路设计  23
    2.2.5 片上关节控制器的设计  23-24
    2.2.6 关节控制器测试实验  24-27
  2.3 本章小结  27-28
第3章双臂强耦合系统的运动规划  28-37
  3.1 双臂强耦合系统的运动学约束  28-31
    3.1.1 位置约束  29
    3.1.2 速度约束  29-31
  3.2 双臂强耦合系统的运动规划  31-36
    3.2.1 七段式笛卡尔轨迹规划方法  31-32
    3.2.2 点对点直线轨迹规划  32-34
    3.2.3 多点连续轨迹规划  34-36
    3.2.4 双臂强耦合系统的轨迹规划  36
  3.3 本章小结  36-37
第4章 7 自由度机械臂的运动学研究  37-51
  4.1 机械臂运动学建模及正运动学  37-39
    4.1.1 机械臂的运动学建模  37-38
    4.1.2 机械臂的正运动学  38-39
  4.2 关节速度的求解  39-42
    4.2.1 改进型梯度投影法  40-42
  4.3 位置的逆运动学求解  42-50
    4.3.1 虚拟关节法  43-48
    4.3.2 运动仿真验证  48-50
  4.4 本章小结  50-51
第5章双臂强耦合系统的协调控制  51-69
  5.1 双臂强耦合系统的动力学模型  51-54
    5.1.1 机械臂的静力学  51
    5.1.2 机械臂的逆动力学  51-52
    5.1.3 双臂强耦合系统的动力学分析  52-54
  5.2 双臂强耦合系统的位置控制  54-59
    5.2.1 基于 SimMechanics 的位置控制仿真试验  54-58
    5.2.2 双臂强耦合系统的位置控制  58-59
  5.3 笛卡尔空间阻抗控制的研究  59-65
    5.3.1 机械臂的操作空间动力学模型  59-60
    5.3.2 基于位置的阻抗控制  60-62
    5.3.3 笛卡尔空间基于给定力的阻抗控制  62-63
    5.3.4 双臂强耦合系统的协调控制  63-65
  5.4 实验研究  65-68
    5.4.1 实验平台介绍  65
    5.4.2 位置控制实验  65-67
    5.4.3 阻抗控制实验  67-68
  5.5 本章小结  68-69
结论  69-70
参考文献  70-75
攻读学位期间发表的学术论文  75-77
致谢  77

双臂强耦合系统的运动规划与控制的研究

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