基于关节角度检测的机械臂控制系统设计与实现
发布时间：2023-01-12 17:49
自机器人诞生以来发展至今已取得了辉煌的成就。其在各个领域都有着广泛的应用,不仅解放了人们的双手,而且大大提高了生产效率,同时在某些特殊情况下能够代替人进入到危险的工作环境中作业,保障作业人员的生命安全。但在许多复杂的环境下,从事复杂作业的机器人无法自主的完成任务只能以手动操作的方式操控机器人工作,操作人员对机器人的控制直接决定了作业的完成时间和效果。机械臂作为机器人的典型代表,本课题旨在设计一种可穿戴式的机械臂控制交互系统,提高机械臂在各种复杂环境下的可用性和工作效率。本文设计并实现了基于关节角度检测的机械臂控制系统。该系统通过可穿戴的角度位移传感器检测人体手臂各个关节的角度,进而控制机械臂的关节角度。通过人体的自然肢体动作对机械臂进行精准控制,不仅解放了操作人员的双手,而且减小了环境因素对控制效果的影响。该机械臂控制系统整体设计由关节角度检测与数据处理、控制器、舵机（机械臂实体）控制和上位机人机交互模块组成。该系统通过角度位移传感器将人体手臂关节角度信息转换为模拟电压,再经过卡尔曼滤波处理后作为控制器的输入信号。基于STM32的增量式PID控制器根据输入信号和机械臂的角度反馈信号计算...
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 国内外的研究现状
1.3 本论文的研究内容及安排
第2章 系统整体设计与硬件选型
2.1 系统整体设计
2.2 系统硬件选型
2.2.1 PC机
2.2.2 主控制器
2.2.3 传感器
2.2.4 机械臂实体
2.3 本章小结
第3章 机械臂的运动学分析与仿真
3.1 机械臂的运动学分析
3.1.1 位姿描述
3.1.2 齐次变换矩阵
3.1.3 机械臂运动学分析
3.1.4 机械臂逆运动学分析
3.2 机械臂的运动学仿真
3.2.1 机械臂模型建立
3.2.2 机械臂运动学仿真
3.2.3 机械臂逆运动学仿真
3.2.4 机械臂的关节运动轨迹
3.4 本章小结
第4章 主控制器与上位机的设计
4.1 主控制器的设计
4.2 关节角度检测与数据处理
4.2.1 关节角度获取
4.2.2 卡尔曼滤波
4.2.3 基于STM32的卡尔曼滤波器设计
4.2.4 卡尔曼滤波器的参数设定
4.3 PID控制器设计
4.3.1 PID控制原理
4.3.2 增量式PID控制
4.3.3 基于STM32的增量式PID控制器设计
4.3.4 PID控制器的参数整定
4.4 舵机的控制
4.4.1 舵机的原理
4.4.2 舵机的控制
4.5 上位机的设计
4.6 本章小结
第5章 测试与验证
5.1 实验测试
5.1.1 关节角度检测精度测试
5.1.2 卡尔曼滤波效果测试
5.1.3 增量式PID控制器输出响应测试
5.2 实验验证
5.3 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 后续工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间获得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Matlab的油茶果机械采摘平台设计与试验[J]. 张立勇,饶洪辉,黄登昇,陈斌,刘木华. 南方农机. 2017(21)
[2]基于STM32输出多路PWN波控制八足蜘蛛机器人的方法研究[J]. 杨玲,钱百青,徐晨光,徐子文. 电脑知识与技术. 2017(23)
[3]工业机器人在自动化控制领域的应用[J]. 孟英楠. 设备管理与维修. 2017(10)
[4]基于关节空间工业机器人轨迹规划的研究与仿真[J]. 刘子贵. 机械工程与自动化. 2017(03)
[5]PID控制系统的设计以及MATLAB仿真[J]. 石文昭. 电子技术与软件工程. 2016(21)
[6]基于STM32的机械臂控制系统设计与实现[J]. 郑文超,陈文辉. 工业控制计算机. 2016(10)
[7]姿态融合滤波的无人机抗干扰控制算法[J]. 陆兴华. 传感器与微系统. 2016(07)
[8]基于Leap Motion的机械臂交互控制研究[J]. 康杨雨轩,郑文,李松林,余小平,蔡后祥. 传感器与微系统. 2016(06)
[9]基于Kinect相机的苹果树三维点云配准[J]. 郑立华,麦春艳,廖崴,文瑶,刘刚. 农业机械学报. 2016(05)
[10]基于ROS的空间机器人人机交互系统设计[J]. 左轩尘,韩亮亮,庄杰,石琪琦,黄炜. 计算机工程与设计. 2015(12)
硕士论文
[1]自动下料机的机械结构设计与研究[D]. 郐红艺.中北大学 2017
[2]基于Kinect的机械臂人机交互控制系统设计[D]. 朱宇辉.西南科技大学 2016
[3]复杂环境侧装装校机器人的设计与研究[D]. 李娟.重庆大学 2016
[4]冲床上下料机械手的设计与研究[D]. 田乐帅.青岛科技大学 2016
[5]基于位姿识别的机械臂人机交互控制系统设计与实现[D]. 石琪琦.电子科技大学 2015
[6]猕猴桃采摘机器人机械臂运动学仿真与设计[D]. 李桢.西北农林科技大学 2015
[7]排爆机械臂结构设计与控制研究[D]. 贾召敏.南京理工大学 2015
[8]多用途工业机器人轨迹规划、运动学与动力学研究[D]. 杨锦涛.江苏科技大学 2015
[9]基于一致性的分布式估计算法研究[D]. 卢小萍.华东理工大学 2012
[10]5自由度移动机器人的建模与仿真[D]. 胡松.曲阜师范大学 2009
本文编号：3730229
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
1.2 国内外的研究现状
1.3 本论文的研究内容及安排
第2章 系统整体设计与硬件选型
2.1 系统整体设计
2.2 系统硬件选型
2.2.1 PC机
2.2.2 主控制器
2.2.3 传感器
2.2.4 机械臂实体
2.3 本章小结
第3章 机械臂的运动学分析与仿真
3.1 机械臂的运动学分析
3.1.1 位姿描述
3.1.2 齐次变换矩阵
3.1.3 机械臂运动学分析
3.1.4 机械臂逆运动学分析
3.2 机械臂的运动学仿真
3.2.1 机械臂模型建立
3.2.2 机械臂运动学仿真
3.2.3 机械臂逆运动学仿真
3.2.4 机械臂的关节运动轨迹
3.4 本章小结
第4章 主控制器与上位机的设计
4.1 主控制器的设计
4.2 关节角度检测与数据处理
4.2.1 关节角度获取
4.2.2 卡尔曼滤波
4.2.3 基于STM32的卡尔曼滤波器设计
4.2.4 卡尔曼滤波器的参数设定
4.3 PID控制器设计
4.3.1 PID控制原理
4.3.2 增量式PID控制
4.3.3 基于STM32的增量式PID控制器设计
4.3.4 PID控制器的参数整定
4.4 舵机的控制
4.4.1 舵机的原理
4.4.2 舵机的控制
4.5 上位机的设计
4.6 本章小结
第5章 测试与验证
5.1 实验测试
5.1.1 关节角度检测精度测试
5.1.2 卡尔曼滤波效果测试
5.1.3 增量式PID控制器输出响应测试
5.2 实验验证
5.3 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 全文工作总结
6.2 后续工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间获得的科研成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于Matlab的油茶果机械采摘平台设计与试验[J]. 张立勇,饶洪辉,黄登昇,陈斌,刘木华. 南方农机. 2017(21)
[2]基于STM32输出多路PWN波控制八足蜘蛛机器人的方法研究[J]. 杨玲,钱百青,徐晨光,徐子文. 电脑知识与技术. 2017(23)
[3]工业机器人在自动化控制领域的应用[J]. 孟英楠. 设备管理与维修. 2017(10)
[4]基于关节空间工业机器人轨迹规划的研究与仿真[J]. 刘子贵. 机械工程与自动化. 2017(03)
[5]PID控制系统的设计以及MATLAB仿真[J]. 石文昭. 电子技术与软件工程. 2016(21)
[6]基于STM32的机械臂控制系统设计与实现[J]. 郑文超,陈文辉. 工业控制计算机. 2016(10)
[7]姿态融合滤波的无人机抗干扰控制算法[J]. 陆兴华. 传感器与微系统. 2016(07)
[8]基于Leap Motion的机械臂交互控制研究[J]. 康杨雨轩,郑文,李松林,余小平,蔡后祥. 传感器与微系统. 2016(06)
[9]基于Kinect相机的苹果树三维点云配准[J]. 郑立华,麦春艳,廖崴,文瑶,刘刚. 农业机械学报. 2016(05)
[10]基于ROS的空间机器人人机交互系统设计[J]. 左轩尘,韩亮亮,庄杰,石琪琦,黄炜. 计算机工程与设计. 2015(12)
硕士论文
[1]自动下料机的机械结构设计与研究[D]. 郐红艺.中北大学 2017
[2]基于Kinect的机械臂人机交互控制系统设计[D]. 朱宇辉.西南科技大学 2016
[3]复杂环境侧装装校机器人的设计与研究[D]. 李娟.重庆大学 2016
[4]冲床上下料机械手的设计与研究[D]. 田乐帅.青岛科技大学 2016
[5]基于位姿识别的机械臂人机交互控制系统设计与实现[D]. 石琪琦.电子科技大学 2015
[6]猕猴桃采摘机器人机械臂运动学仿真与设计[D]. 李桢.西北农林科技大学 2015
[7]排爆机械臂结构设计与控制研究[D]. 贾召敏.南京理工大学 2015
[8]多用途工业机器人轨迹规划、运动学与动力学研究[D]. 杨锦涛.江苏科技大学 2015
[9]基于一致性的分布式估计算法研究[D]. 卢小萍.华东理工大学 2012
[10]5自由度移动机器人的建模与仿真[D]. 胡松.曲阜师范大学 2009
本文编号：3730229
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3730229.html
