关键词：行星采样机械臂;;动力学;;轨迹规划;;轨迹跟踪;;样机实验
摘 要：虽然人类的科学技术不断的在进步,但这世界还有很多的未知等待着我们去探索。宇宙及其中的天体携带着太多的疑问等待着我们去解答。行星探测器是人类探索宇宙的先锋者,而采样机械臂是行星探测器重要组成部分,对其的研究具有非常重要的意义。为此本文基于实验室采样机械臂样机,主要对其的轨迹规划和轨迹跟踪控制进行了探究,研究分析的轨迹跟踪控制方法不仅局限于采样机械臂,也适用于更加普遍的工业机械臂,对进一步的研究具有一定的参考价值。首先本文根据提出的设计要求对采样机械臂的整体结构进行设计,对关节驱动电机及减速器进行了选型分析,并运用模块化的设计思想对腰、肩、肘关节进行了结构设计。在数学模型建立中,根据经典的Denavit-Hartenberg法建立了采样机械臂的D-H坐标模型及其相应的D-H参数表,而后对机械臂的正、逆运动学进行了推导分析。并采用拉格朗日力学法建立了忽略腕关节的采样机械臂的动力学简化模型,为后期的轨迹跟踪控制研究奠定了基础。接着对机械臂的轨迹规划方法进行了探究,在关节空间中,分别分析了三项/五项多项式插值及混有抛物线的直线段的方法,运用Matlab求得相应的位置、速度、加速度曲线,并对其进行比较分析。在笛卡尔空间中,推导了空间直线段和空间圆弧的插值算法,并运用Matlab验证了其的正确性,为后文的轨迹规划实验提供支持。然后对机械臂的轨迹跟踪控制进行了研究,首先建立了机械臂独立的关节模型,将机械臂各连杆之间的耦合看做外界扰动,运用PID控制分别对其位置、速度环进行了仿真分析,结果表明该种控制方法对于设定点的控制是有效的。然后提出了一种基于模型的控制方法——基于LQR的最优控制,推导其控制率并进行了稳定性分析,运用Simulink进行了仿真,得到了较好的轨迹跟踪效果。之后运用先进控制策略——滑模控制对采样机械臂的轨迹跟踪控制进行探究,仿真结果表明,虽然达到了较高轨迹跟踪精度,但控制力矩存在着严重的抖动现象,这将对电机等元器件造成严重的损伤,为此提出了一种基于反馈线性化的滑模控制方法,推导其控制率并进行了稳定性分析,仿真结果表明该种控制方法减轻了控制输出严重的抖动现象。最后,基于采样机械臂的物理样机,分别运用两款运动控制器搭建机械臂的轨迹规划实验平台,依据推导得的正/逆运动学及轨迹规划算法,编写相应上位机软件,对机械臂进行空间直线及圆弧轨迹规划实验,比较两款控制器的优缺点,探究机械臂低成本控制的可行性。
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