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1、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 可以使我们深入了解机械臂的工作机理和控制特点 特别是对机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 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 1 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
2、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和控制算法研究 2 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 3 具体讲解内容 1 机械臂的结构和数学模型2 运动学分析3 轨迹规划与角度反解4 上位机控制界面5 控制系统硬件设计6 控制系统软件设计7 系统的调试8 总结 上位机 下位机 准备工作 调试总结 4 1 机械臂的结构和数学模型 改装后的机械臂机械臂关节坐标系图 返回 5 正运动学 给出关
3、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 求关节角度利用MATLABRobotToolBox工具箱进行仿真 1 运动学分析 运动学 6 2 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 7 轨迹规划的三维仿真利用OpenGL编写三维仿真工具 验证轨迹规划是否正确 视频演示 8 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 发送控制角度给下位机 3 上位机控制界面 返回 9 1 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 10 控制电路设计 单片机 ST
4、C89C52晶振频率 11 0592MHz 11 驱动电路设计 驱动器采用L298n 单极性PWM输出 控制电路与驱动电路光耦隔离 12 采样电路设计 采样时钟由单片机ALE脚的输出脉冲经四次分频电路产生 频率460KHz 8位数据输出 13 通信电路设计 异步串行通信 波特率9600 8位数据位 1位停止位 MAX232电平转换 14 硬件系统实物图 15 2 控制系统软件设计 PID控制算法通过误差经比例 P 积分 I 微分 D 控制后的线性组合 实现对被控对象的控制 组成框图 16 PID算法MATLAB仿真 取kp 4 ki 0 03 kd 0 5 PID仿真曲线 17 PID算法程序
5、PID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 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 intek 0 当前的偏差值intek 1 0 上一次的偏差值intek 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 积分限幅uki 400 if uki 400 uki 400 18 模糊控制算法模糊控制是以模糊集合 模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制 属于非线性智能控制范畴 组成框图 19 模糊控制器
6、原理模糊控制器的工作原理包括四部分 模糊量化 模糊规则库 模糊推理和非模糊化 20 模糊控制算法MATLAB仿真 模糊控制仿真曲线 21 模糊算法程序模糊控制程序的关键是根据模糊控制器原理 建立模糊控制表 并根据当前偏差e和偏差变化率ec模糊化后的值 查询控制表以获得当前的控制量 intcodearmdata 13 13 建立模糊查询表ek position c 求取偏差ec ek 1 ek 求取偏差变化率y 12 ek 510 ek模糊化 ec与之相同mek y y1 y mek if y1 0 5 mek mek 1 if y1 0 5 mek mek 1 d armdata mek 6
7、mec 6 查询模糊控制表 22 模糊PID算法模糊PID控制器是在一般PID控制器的基础上 增加一个模糊控制器 大误差时采用模糊控制 小误差时采用PID控制 通过切换开关进行选择 组成框图 23 模糊PID控制算法MATLAB仿真 模糊PID仿真曲线 24 相同的PID参数 模糊PID与PID控制效果对比 25 三种控制算法仿真曲线对比 粉 PID 蓝 模糊 黄 模糊PID 26 模糊PID算法程序 将PID控制程序和模糊控制程序通过选择语句结合起来即可获得模糊PID控制程序 主要代码如下 if ek 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 P
8、ID控制程序 27 2 3控制系统软件流程图 返回 28 1 系统调试 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 分析后认为 二维模糊控制器对本系统不合适 主要原因如下 二维模糊控制器的输入为误差e和误差变化ec 可等效为PD控制 由于系统初始误差很大 200 误差变化率很小 5 由基本论域转换到模糊论域 6 6 的过程中 无疑放大了误差变化ec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 减小系统超调 微分过强则会迟滞系统的响应过程 前面MATLAB仿真时 输入信号为单位阶跃信号 误差和
9、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100 进行MATLAB仿真 29 MATLAB仿真曲线 稳态值只有29 与阶跃信号终值100相差很多 30 解决方案 1 双模模糊控制器 粗调 精调 2 一维模糊控制器 只考虑误差 31 PID算法控制效果 32 模糊控制效果 33 模糊PID控制效果 视频演示 34 2 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 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PID 模糊 模糊PID三种控制算法的原理 MATLAB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 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到的双模模糊控制器 以进一步提高机械臂的动态性能 35 谢谢各位老师 36
