面向四足双臂机器人的液压双臂控制系统设计与实现

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随着当前社会现代化工业水平的提高,以固定基座独立工作的机器人已经无法满足日益变化的制造业需求。在腿足式移动平台上安装机械臂形成的机器人可以同时结合腿足式运动的灵活性和机械臂的可操作性等特点,故具有广阔的应用前景。本文以四足机器人搭载的双移动机械臂为研究对象,针对双臂建模与运动学分析、实时控制系统设计、双臂作业运动规划、柔顺运动控制展开研究,开展的研究工作内容如下:(1)针对机器人双臂的布局方式与运动学建模问题,分析了两种双臂作业系统的布局方式在四足机器人平台上的特点,确定了工作空间覆盖面大,对四足机器人站立状态下重心影响最小的前后交错左右协作的双臂布局方式。根据这种布局方式建立双臂运动学模型,将五自由度单臂抽象化为连杆结构,采用D-H法建立坐标系,结合连杆参数进行正运动学分析并推导出单臂逆运动学方程和雅可比矩阵。(2)针对四足双臂多附肢多关节机器人实时控制系统的设计,搭建了基于CAN总线分布式结构的控制系统并给出覆盖多种操作模式的通信协议。首先,对主控制器进行了选型分析,采用了 NI的Compact-RIO 9039控制器,完成了主控制器各种服务子程序的设计,实现了遥控器信息读取、双臂运动规划和CAN总线通讯等功能;其次,介绍了基于DSP的液压伺服运动控制器的硬件和软件设计,实现了控制频率达到1KHz的关节角度伺服控制、六维力传感器信息采集和关节角度位置信息采集等功能;最后,在单臂平台上进行实验验证。(3)针对双臂作业运动规划方法的研究。将双臂的操作模式分为独立操作和协同操作两种模式,分别推导了不同操作模式下双臂与目标物体之间的运动学约束关系,基于上述约束关系介绍了基于速度指令的运动规划方法,通过给定双臂的末端速度,实时生成双臂的运动轨迹。最后,分别在Webots仿真软件和实验平台上实现了双臂不同操作模式下的运动规划实验。(4)针对位置控制的液压机械臂柔顺运动控制方法研究。研究了基于末端六维力传感器的导纳控制策略,建立了五自由度液压机械臂的导纳控制模型,推导了六维力传感器中负载力与力矩的关系,实现了对末端抓手负载的重力补偿并将重力补偿项加入到导纳控制策略中,提高了六维力传感器的测量精度。最后进行柔顺控制实验,结果表明导纳控制策略可以有效的提高液压机械臂对外部环境的适应能力。
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