该设计涉及六自由度机械臂控制系统的构建以及其运动学仿真的研究。

简介：
该项目主要集中于以下几个关键领域的工作：首先，基于对工作空间中机械臂抓持器实现任意位姿所需的至少六个自由度的结论，设计了一种六自由度链式关节的结构。为了满足自平衡机器人的尺寸设计要求，我们构建了一套机械臂的结构方案，并通过对各连杆质量的静力学估算，确定了各个关节所需的力矩，从而选择了与之匹配的电机。此外，我们采用了基于 CAN 总线分布式的控制系统，将工控机和关节控制器连接至 CAN 总线上。工控机的主要职责是监控关节控制器，同时负责执行机械臂运动学和轨迹规划算法。关节控制器则采用了 TI 公司的 TMS320LF2407 DSP，用于实现位置、速度和力矩伺服控制算法。其次，我们运用了标准的 D-H 建模方法，建立了机械臂的精确数学模型。通过对机械臂的正运动学进行了详细分析，并采用解析法对关节角进行解耦运算，成功推导出了逆运动学的封闭解析解。在性能指标方面，我们以功率最小化为目标来确定唯一解。为了验证推导过程的准确性并进行仿真实验，我们利用基于 Matlab 平台下的 Robotics Toolbox 机器人工具箱进行了验证与仿真。再次，我们重点研究了机械臂在关节空间中轨迹规划的两类方法：三次多项式和五次多项式轨迹规划方法。仿真结果表明，三次多项式轨迹规划方法计算量较小但无法保证角加速度的连续性；而五次多项式轨迹规划方法虽然计算量较大一些，却能保证角加速度的连续性从而使电机平稳运行。随后，我们在笛卡尔空间中对机械臂进行了轨迹规划，并采用了空间直线和空间圆弧插补算法进行实现。详细阐述了这两种轨迹计划的具体实施算法并进行了仿真实验验证。最后, 针对六自由度机械臂的特殊构型, 我们基于 MFC 框架类和 Open GL 图形库, 在 VC++6.0 开发平台上专门开发了一套三维仿真工具. 该仿真工具将运动学和轨迹规划算法整合其中, 有效地验证了机械臂数学模型以及正、逆运动学求解过程的正确性, 并对四种轨迹规划方法的性能进行了直观比较. 该工具有效地解决了运动学和轨迹规划分析结果难以验证以及在实际本体上试验成本较高的问题.