采樣機械臂控制系統(tǒng)設計.pdf

1、月面采樣機械臂用來采集月球表面的月壤樣品，此機械臂除了具有常規(guī)機械臂具有的高度耦合和非線性特性外，還具有關節(jié)柔性大的特點。本文基于中心自主研發(fā)的五自由度采樣機械臂，對其進行控制系統(tǒng)設計。
　　首先，設計機械臂控制系統(tǒng)。本機械臂控制系統(tǒng)采用模塊化的設計思想，傳統(tǒng)的多軸集中控制已不適合。本文設計了基于關節(jié)控制器的分布式控制系統(tǒng)，各關節(jié)驅動器和上位機通過CAN通信聯(lián)系起來。
　　其次，對機械臂進行了運動學建模。以描述連桿機構的D-

2、H方法為基礎建立機械臂的運動學模型，并結合幾何方法求解機械臂的運動學參數(shù)。機械臂的運動學包括前向運動學和逆向運動學，前向運動學用D-H方法建立模型，逆向運動學以幾何方法建模。
　　再次，建立采樣機械臂關節(jié)的非線性摩擦模型。應用卡爾曼濾波與牛頓預測相結合的方法估算采樣機械臂關節(jié)的角加速度;應用電流采樣電路采集電機的電流。將估算的角加速度和采集的電流帶入推導出的摩擦力矩計算摩擦力矩。根據(jù)得到的摩擦力矩與關節(jié)轉角之間的關系，擬合出基于指

3、數(shù)摩擦模型的機械臂關節(jié)非線性摩擦模型。
　　再次，設計機械臂控制系統(tǒng)的硬件與軟件。參照常規(guī)機械臂控制節(jié)點的設計方法，并結合自身的需求，設計了包括電機驅動、角度檢測、電流檢測和CAN通信的機械臂關節(jié)控制器硬件。在硬件電路的基礎上設計機械臂關節(jié)節(jié)點控制算法，并根據(jù)機械臂的實際需求編寫基于VC++的機械臂控制系統(tǒng)界面。
　　最后，本文開發(fā)設計的機械臂控制系統(tǒng)可滿足月面采樣機械臂原理樣機的采樣要求。采樣機械臂原理樣機在1∶1著陸器與