七自由度乒乓球臂的运动规划与控制研究

论文摘要

自从1983年出现了机器人乒乓球运动之后,先后有很多科研机构进行了乒乓球机械臂的研究,取得了丰富的成果。但是,很多机械臂在运动中采用较小的乒乓球桌面,属于旧式机器人乒乓球比赛的范畴。当前的乒乓球机械臂都采用标准规则,需要更大的工作空间和更快的速度,这给机械臂的控制和轨迹规划等方面带来了新的挑战。为此,本文根据国家863计划“仿人机器人高性能单元与系统”重点项目的要求,为一条七自由度机械臂设计了电气控制结构,实现了手臂DSP+关节FPGAs控制器的分层控制。根据手臂电气系统的任务,设计了关节电气系统,用FPGA作为核心控制器,利用关节拥有的传感器,实现了速度信号的MT法测量和电机的SVPWM驱动。接着,建立了手臂的DH坐标系,求解了速度逆解;基于Masayuki提出的参数化求解思想,定义了适合于本机械臂构型的臂角参数,推导了本机械臂的逆运动学解的参数形式的解析表达式,并在此基础上提出了一种参数化解析解和搜索相结合的优化方法,实现了逆运动学解的快速优化。然后,针对乒乓球运动的特殊要求,提出了一种固定时间梯形加速度规划方法。这种方法对电机驱动能力利用充分,同乒乓球机械臂中经常使用的五次多项式规划相比,具有更高的规划成功率和更好的跟踪精度。通过仿真和实验验证了这种轨迹规划的性能。最后,为手臂设计了PD+重力补偿+摩擦补偿的控制器;建立了仿真用的正逆动力学模型,计算了重力补偿量;利用电流传感器和电机的SVPWM驱动方式,辨识了摩擦参数;通过仿真和实验验证了所设计的手臂和手臂控制器的性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 乒乓球机械臂研究现状
• 1.2.2 冗余自由度机械臂逆运动学综述
• 1.2.3 机械臂的轨迹规划综述
• 1.3 乒乓球臂的性能指标及主要研究内容
• 1.3.1 乒乓球臂的性能指标
• 1.3.2 主要研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 7DOF 机械臂的硬件系统设计
• 2.1 引言
• 2.2 机械臂的本体设计
• 2.2.1 手臂构型的选择
• 2.2.2 手臂工作空间分析
• 2.2.3 关节电机及传动系统选择
• 2.3 机械臂的电气系统设计
• 2.3.1 电气系统总体设计
• 2.3.2 大关节电气系统设计
• 2.3.3 小关节电气系统设计
• 2.3.4 电源系统
• 2.4 关节速度信号的测量
• 2.4.1 MT 法速度测量
• 2.4.2 两种测速方法的对比
• 2.5 本章小结
• 第3章 机械臂运动学建模及逆运动学求解
• 3.1 引言
• 3.2 机械臂运动学建模及正运动学
• 3.2.1 手臂的DH 运动学建模
• 3.2.2 手臂的正运动学
• 3.3 速度逆解的计算
• 3.4 位置逆运动学的参数化求解与优化
• 3.4.1 冗余机械臂的参数化解法
• 3.4.2 基于搜索和参数化解法的冗余解选取
• 3.5 本章小结
• 第4章 乒乓球机械臂的轨迹规划研究
• 4.1 引言
• 4.2 乒乓球机械臂的轨迹规划问题
• 4.2.1 轨迹规划器的输入和输出
• 4.2.2 乒乓球运动对轨迹规划器的基本要求
• 4.2.3 常见规划方法的可用性
• 4.3 固定时间梯形加速度轨迹规划
• 4.3.1 算法的具体计算过程
• 4.3.2 快速计算方法
• 4.3.3 无解情况的处理办法
• 4.4 关节轨迹规划的仿真及实验
• 4.4.1 仿真验证
• 4.4.2 实验验证
• 4.5 本章小结
• 第5章 手臂的仿真及控制实验
• 5.1 引言
• 5.2 机械臂的控制方法
• 5.3 手臂的动力学建模
• 5.3.1 逆动力学模型的建立
• 5.3.2 正动力学模型
• 5.3.3 手臂的名义动力学参数
• 5.3.4 重力项的计算
• 5.3.5 手臂的Matlab/Simulink 动力学模型
• 5.4 关节的摩擦补偿
• 5.4.1 关节摩擦模型
• 5.4.2 摩擦辨识方法
• 5.4.3 摩擦辨识结果
• 5.5 机械臂的仿真与控制实验
• 5.5.1 控制策略的Simulink 仿真
• 5.5.2 控制策略的实验研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 附录一 手臂的动力学参数
• 附录二 重力补偿
• 附录三 加速度曲线形状的16 种可能情况
• 附录四 冗余解
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历