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1、学校代号10532学号 S12094030 分 类 号TP241密级公 开 硕士学位论文基于CANopen的空间机械臂 伺服控制系统研究学位申请人姓名高小龙 培 养 单 位电气与信息工程学院 导师姓名及职称王耀南 教授 学 科 专 业控制科学与工程 研 究 方 向机器人智能控制技术 论 文 提交日期2015 年 4 月 20 日 学校代号：10532学号：S12094030密级：公开湖湖南南大大学学硕硕士士学学位位论论文文基于CANopen的空间机械臂伺服 控制系统研究学位申请人姓名：高小龙 导师姓名及职称：王耀南教授 培 养 单 位：电气与信息工程学院 专 业 名 称：控制科学与工程 论文提
2、交日期：2015 年 4 月 20 日 论文答辩日期：2015 年 5 月 27 日 答辩委员会主席：王辉教授 The Research on Space Manipulator Servo Control System Based on CANopenbyGao XiaolongB.E.( Hunan University) 2012A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree ofMaster of Engineering inControl Science Engineering
3、in the Graduate SchoolofHunan UniversitySupervisor Professor Wang YaonanApril, 2015学位论文 原创性 声明和学 位论文 版权使 用授权 书 湖 南 大 学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学
4、校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）作者签名：日期：年月日 导师签名：日期：年月日摘 要空间机械臂本身就是一种智能机器人，具备精确操作能力和视觉识别能力， 既具有自主分析能力也可由航天员进行遥控， 是一个机、电、控一体化的高度集 成的复杂机电控制系统。本文以湖南大学特种机器人实验室与某航天研究所合
5、研 项目“某六自由度空间机械臂项目”为研究对象，提出了基于 CANopen 的机械 臂伺服控制系统研究课题，以实现机械臂末端空间点到点运动为研究目标。本论 文研究重点在于机械臂分布式控制系统结构设计，CANopen 协议下电机运动控制 设计及六自由度机械臂运动学分析。论文首先研究了空间机器臂的国内外发展现状，指出空间机械臂在深空探测 及空间在轨服务等空间技术领域具有广泛的应用。 依照课题研究要求， 分析了 CAN 总线下机械臂伺服控制系统的一些关键技术，分布式控制系统研究现状及现 场总线应用的现状。通过研究空间机械臂系统的一般结构和本课题中机械臂的构型，提出了空间 机械臂分布式控制系统的总体设
6、计方案。详细研究了空间机械臂分布式系统中央 控制器、总线通讯、关节运动机构及配电器各模块的硬件设计， 且确保各模块性 能达到系统控制要求。空间机械臂伺服控制系统的总体设计为本课题研究提供了 硬件条件。空间机械臂 CANopen 协议的配置为电机在 CAN 总线下实现运动控制提供了 通讯基础。论文中介绍了 CAN 总线的特点及发展，详细分析了 CANopen 协议的 通讯模型及核心概念。依照 CANopen 通讯子协议和运动控制设备子协议，结合 本课题电机运动控制要求，设计了适合 空间机械臂系统控制的心跳协议配置、PDO 映射配置以及运动控制配置。空间机械臂运动学分析是实现末端点到点运动的理论基
7、础。论文中根据六自 由度空间机械臂结构特点和关节约束关系，采用改进型 DH 法建立机械臂模型和 机械臂空间坐标系，论述了空间机械臂末端位姿从笛卡尔空间描述到关节空间描 述的映射过程，完成了 空间机械臂运动学分析，并在 Matlab 中建立机械臂空间模 型，通过仿真验证了机械臂运动学算法的正确性。 机械臂末端工作区间是机械臂 操控性能的重要指标之一，本文基于蒙特卡洛法分析了六自由度空间机械臂末端 工作区间，也验证了课题中机械臂良好的空间操控性。论文最后分析了空间机械臂控制系统软件架构和电机控制程序设计。电机控 制 程 序 设 计 为 绝 决 CAN 卡 通 讯 和 电 机 运 动 控 制 封 装
8、 了 ArmCoM 类和 MotorControl 类，ArmCoM 类实现了控制端到 CAN 网络的通讯，MotorControl类基于 CANopen 协议封装了运动控制所需的接口函数。通过机械臂伺服控制实 验，实现了机械臂末端空间点到点的运动，达到了课题研究目标。关关键键词词 ：空间机械臂；CANopen；分布式控制；运动学；电机控制AbstractSpace manipulator is an intelligent robot, with precise operating capability and visual recognition ability, its a highly
9、 integrated mechatronic control systems, has independent analysis capabilities and can be remotely controlled by astronauts. In this thesis, we studied the 6 degree-of-freedom space manipulator project, a research project by special Robotics Lab of Hunan University and Space Research I nstitute, pro
10、posed the research of manipulator control system based on CANopen, the research objective is achieving the point-to-point movement of manipulator. The main point of the research includes manipulator distributed control system design, motor control design based on CANopen protocol, and kinematics ana
11、lysis of 6 degree-of-freedom manipulator.The present situation of space manipulator development was introduced in this thesis, pointed out that the space manipulator has a wide range of applications in the field of space technology, such as space exploration and space rail service. In accordance wit
12、h the requirements of the research, this paper analyzed some key technologies about the manipulator control system based on CANopen, distributed control system technology and fieldbus application technology.The overall design scheme of manipulator distributed control system was proposed in this thes
13、is, by studying the general structure of space manipulator system. The thesis pored over the hardware design of manipulator distributed systems, central controller, bus communication, articulation mechanism and distributor, making sure that the module performance to the system control requirements.
14、The overall design of the manipulator robotics servo control system provided the hardware conditions for the research.CANopen protocol configuration was the communication infrastructure for the motor motion control under CAN bus. This thesis introduced the features and the development of CAN bus, po
15、red over the communication model and core concepts of CANopen protocol. In accordance with CANopen communication sub-profile and motion control sub-protocol, combined with the motion control requirements of this research, the thesis designed the heartbeat configuration, PDO mapping configuration, an
16、d motion control configuration for the manipulator control system.Manipulator kinematics analysis is the theoretical basis of the point-to-pointmovement. In this thesis, the modified Denavit-Hartenberg method was used to conduct the manipulator model and space coordinate system, according to the structural characteristics and joint constraint relations. The thesis disco ursed
