毕设答辩小型六自由度的工业机械手的控制设计课件.ppt

1、研究背景研究背景 工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发工业机器人，又称机械臂，在现代化工业生产中正发挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，挥着越来越重要的作用，它被广泛应用到流水生产线上，代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这代替人类从事焊接、喷涂、搬运等许多较繁重的劳动，这不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加不仅大大提高了生产效率，同时也极大地提高了产品的加工精度和产品质量。对机械臂的研究，可以使我们深入了工精度和产品质量。对机械臂的研究，可以使我们深入了解机械臂的工作机理和控制特点，特别是对机械臂控制系解机械臂的工作机理和控制特点，特别是对机

2、械臂控制系统和控制算法的研究，可以有效提高机械臂的控制精度，统和控制算法的研究，可以有效提高机械臂的控制精度，增强机械臂的环境适应能力，从而拓宽其应用领域，使之增强机械臂的环境适应能力，从而拓宽其应用领域，使之更好的服务于现代工业。更好的服务于现代工业。研究内容研究内容 论文的研究对象为哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室的论文的研究对象为哈尔滨工程大学自动化学院学生创新实验室的小型六自由度机械臂。论文的主要内容是对其进行开发，主要包括：小型六自由度机械臂。论文的主要内容是对其进行开发，主要包括：对机械臂结构的改进、数学建模、运动学分析、轨迹规划、三维仿真、对机械臂结构的改进、数学建模、运动

3、学分析、轨迹规划、三维仿真、控制系统设计、控制算法研究等。重点是控制系统设计、控制算法研究等。重点是控制系统设计控制系统设计和和控制算法研控制算法研究究。总体研究方案总体研究方案 机械臂的运动学分析和轨迹规划涉及大量的矩阵运算，普通控制机械臂的运动学分析和轨迹规划涉及大量的矩阵运算，普通控制器难以完成这种解算任务。通常的做法是，器难以完成这种解算任务。通常的做法是，PC机作为上位机完成关节机作为上位机完成关节角的解算并将解算出的角度值发送到下位机；微控制器作为下位机，角的解算并将解算出的角度值发送到下位机；微控制器作为下位机，接收关节角，完成位置闭环控制。接收关节角，完成位置闭环控制。 具体讲

4、解内容具体讲解内容 1、机械臂的结构和数学模型机械臂的结构和数学模型 2、运动学分析运动学分析 3、轨迹规划与角度反解轨迹规划与角度反解 4、上位机控制界面上位机控制界面 5、控制系统硬件设计控制系统硬件设计 6、控制系统软件设计控制系统软件设计 7、系统的调试系统的调试 8、总结总结 上位机下位机准备工作调试总结1、机械臂的结构和数学模型、机械臂的结构和数学模型 改装后的机械臂改装后的机械臂 机械臂关节坐标系图机械臂关节坐标系图返回 正运动学：给出关节角度，求末端执行器空间位姿正运动学：给出关节角度，求末端执行器空间位姿 逆运动学：给出末端执行器空间位姿，求关节角度逆运动学：给出末端执行器空

5、间位姿，求关节角度利用利用MATLAB Robot ToolBox工具箱进行仿真：工具箱进行仿真：1、运动学分析、运动学分析运动学运动学2、轨迹规划与角度反解、轨迹规划与角度反解 轨迹是机械臂位姿关于时间的函数，轨迹规划是给出轨迹是机械臂位姿关于时间的函数，轨迹规划是给出一条无冲突路径，求出沿这条路径机械臂的位置和姿势的一条无冲突路径，求出沿这条路径机械臂的位置和姿势的时间经历。时间经历。 轨迹规划的三维仿真轨迹规划的三维仿真 利用利用OpenGL编写三维仿真工具，验证轨迹规划是否正确编写三维仿真工具，验证轨迹规划是否正确视频演示 利用利用C#编写上位机控制界面程序，实现运动分析和轨迹规划，发

6、编写上位机控制界面程序，实现运动分析和轨迹规划，发送控制角度给下位机送控制角度给下位机3、上位机控制界面上位机控制界面返回1、控制系统硬件设计控制系统硬件设计控制系统的硬件组成：控制电路、驱动电路、采样电路、通信电路控制系统的硬件组成：控制电路、驱动电路、采样电路、通信电路控制电路设计控制电路设计：单片机：单片机：STC89C52 晶振频率晶振频率:11.0592MHz驱动电路设计驱动电路设计：驱动器采用驱动器采用L298n，单极性，单极性PWM输出；控制电路与驱动电路光耦隔离输出；控制电路与驱动电路光耦隔离采样电路设计采样电路设计： 采样时钟由单片机采样时钟由单片机ALE脚的输出脉冲经四次分

7、频电路产生，频率脚的输出脉冲经四次分频电路产生，频率460KHz；8位数据输出位数据输出通信电路设计通信电路设计： 异步串行通信，波特率异步串行通信，波特率9600，8位数据位，位数据位，1位停止位；位停止位；MAX232电平转换电平转换硬件系统实物图硬件系统实物图：2、控制系统软件设计控制系统软件设计 PID控制算法控制算法 通过误差经比例通过误差经比例(P)，积分，积分(I)，微分，微分(D) 控制后的线性组合，实现对被控控制后的线性组合，实现对被控对象的控制。组成框图：对象的控制。组成框图： PID算法算法MATLAB仿真仿真 取kp=4，ki=0.03，kd=0.5，PID仿真曲线：P

8、ID算法程序算法程序 PID程序核心是，采样求得误差程序核心是，采样求得误差ek，分别经比例、积分、微分运算后求和，分别经比例、积分、微分运算后求和，求和结果作为，求和结果作为PWM信号的调制信号。注意积分项需要积分限幅。信号的调制信号。注意积分项需要积分限幅。 int ek=0; / 当前的偏差值 int ek_1=0; / 上一次的偏差值 int ek_2=0; / 上上次的偏差值 ek=position-c; / 求取偏差 ukp=kp(ek-ek_1); / 比例项 ukd=kd(ek-2*ek_1+ek_2 ); / 微分项 uki=ki*ek; / 积分项 if(uki=400)

9、/ 积分限幅 uki=400; if(uki=0.5) mek=mek+1; if(y1=30|ek= -30) / 大误差时应用模糊控制 模糊控制程序； else / 小误差时应用PID控制 PID控制程序； 2.3 控制系统软件流程图控制系统软件流程图返回1、系统调试、系统调试 上位机控制界面发送控制指令到下位机，上位机控制界面发送控制指令到下位机，PID控制模式运行良好，模控制模式运行良好，模 糊控制和模糊糊控制和模糊PID控制模式出现抖动，电机运行缓慢，甚至停转。分控制模式出现抖动，电机运行缓慢，甚至停转。分析后认为，二维模糊控制器对本系统不合适，主要原因如下：析后认为，二维模糊控制器

10、对本系统不合适，主要原因如下： 二维模糊控制器的输入为误差二维模糊控制器的输入为误差e和误差变化和误差变化ec，可等效为，可等效为PD控制。控制。由于系统初始误差很大由于系统初始误差很大(+-200)，误差变化率很小，误差变化率很小(+-5)，由基本论域转，由基本论域转换到模糊论域换到模糊论域-6,6的过程中，无疑放大了误差变化的过程中，无疑放大了误差变化ec的作用，即微分的作用，即微分作用被大大加强。由控制理论可知，微分的作用是增加系统阻尼，减作用被大大加强。由控制理论可知，微分的作用是增加系统阻尼，减小系统超调，微分过强则会迟滞系统的响应过程。小系统超调，微分过强则会迟滞系统的响应过程。

11、前面前面MATLAB仿真时，输入信号为单位阶跃信号，误差和误差变化率仿真时，输入信号为单位阶跃信号，误差和误差变化率相差不大，因此没有出现上述问题。阶跃信号终值设为相差不大，因此没有出现上述问题。阶跃信号终值设为100，进行，进行MATLAB仿真。仿真。 MATLAB仿真曲线仿真曲线：稳态值只有稳态值只有29，与阶跃信号终值，与阶跃信号终值100相差很多相差很多。解决方案：解决方案： (1) 双模模糊控制器双模模糊控制器 ：粗调：粗调+精调精调 (2) 一维模糊控制器一维模糊控制器 ：只考虑误差：只考虑误差PID算法控制效果算法控制效果模糊控制效果模糊控制效果 模糊模糊PID控制效果控制效果视

12、频演示2、总结与展望、总结与展望 论文针对实验室的小型六自由度机械臂进行了全面而详细的开发论文针对实验室的小型六自由度机械臂进行了全面而详细的开发，设计了从上位机到下位机，从硬件到软件的整套控制系统。特别是，设计了从上位机到下位机，从硬件到软件的整套控制系统。特别是机械臂控制算法的研究，给出了机械臂控制算法的研究，给出了PID、模糊、模糊、模糊、模糊PID三种控制算法的三种控制算法的原理、原理、MATLAB仿真、程序实现。针对模糊控制在实际机械臂控制系仿真、程序实现。针对模糊控制在实际机械臂控制系统中应用时出现的问题，论文给出了具体解决办法，事实证明该方法统中应用时出现的问题，论文给出了具体解

13、决办法，事实证明该方法可行并且有效。可行并且有效。 虽然完成了很多工作，但是机械臂的开发仍有需要改进的地方。虽然完成了很多工作，但是机械臂的开发仍有需要改进的地方。后续开发可以考虑将控制器换为处理能力更强、内存更大的后续开发可以考虑将控制器换为处理能力更强、内存更大的DSP，以，以使机械臂完成更加复杂的动作；将模拟舵机换为数字舵机，采用总线使机械臂完成更加复杂的动作；将模拟舵机换为数字舵机，采用总线控制方式，以减少导线数量；控制算法方面，可以考虑采用论文中提控制方式，以减少导线数量；控制算法方面，可以考虑采用论文中提到的双模模糊控制器，以进一步提高机械臂的动态性能。到的双模模糊控制器，以进一步提高机械臂的动态性能。谢谢各位老师！谢谢各位老师！