多关节串联机器人的建模与运动控制

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我国是一个制造业大国,要向着制造业强国的方向转变,工业机器人在其中发挥着非常重要的作用。在机械臂的研究中,运动学是基础,运动规划是期望轨迹来源,轨迹跟踪控制是核心。本文基于这三个方面做出了相应研究。(1)机械臂的运动学:首先,以Denso VP6242G机器人为对象,推导出正运动学方程,根据正运动学方程用传统的反变换法解出运动学逆解,并仿真验证了运动学正逆解的正确性;然后,针对传统方法对一般结构的机械臂运动学逆解无法求解的问题,研究了一种适用于任何结构的不含反三角的高精度实时求解运动学逆解的解法,该解法基于改进的万有引力粒子群算法(PSOGSA)。通过仿真验证了该解法的准确性、快速性和求解唯一性;最后,在工具坐标系标定中,针对装有工具的机械臂标定困难的偏差大的问题,在多点多姿态估算法的基础上研究了一种新的快捷标定方法并加入判误机制,通过实验验证了所研究算法的正确性。(2)机械臂的运动规划:在总结一般形式运动规划的基础上,探讨用人工势场法自动避障的路径规划,并对该方法进行了简单避障仿真。同时,研究了一种5-3-5样条曲线插值的关节轨迹规划方法,该方法在保障速度、加速度连续可导的前提下,还能保障加加速度连续且起止于零,比常规方法更有利于抑制机械臂的振动,通过Matlab仿真和Denso机械臂平台验证了该方法的有效性。(3)机械臂的轨迹跟踪控制:通过简化Puma机械臂的六轴动力学模型得到后三轴锁死的前三轴模型,并在总结分析常用关节期望轨迹生成方法的基础上,得到机械臂关节轨迹跟踪控制的通用结构。同时,研究了PD、基于重力补偿的PD、基于计算力矩补偿的PD等关节轨迹跟踪控制方法,在此基础上研究了时变PD参数的计算力矩神经网络补偿控制方法,有效改善了综合控制效果。
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