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学校代号:10532 学号:S11021064 密级:公开湖南大学硕士学位论文采样机械臂控制系统设计 Design ofSampling ARM’S Control System by FU Jianning .(ShandongJiaoTong University)20 Athesissubmitted inpartial satisfaction ofthe Requirements forthedegree of Master ofEngineering Vehicle engineering inthe Graduate School of Hunan University Supervisor professor ZHAN Hanj ing May,2014 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:欠弋建哼日期:训中年舀妇咖学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、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、保密口,在年解密后适用本授权书。 2、不保密口。(请在以上相应方框内打“4”) 作者签名: 导师签名: 日期:pJ牛年矿岁月V细日期:矽妒年夙月的日低刚度机械臂控制系统设计摘要月面采样机械臂用来采集月球表面的月壤样品,此机械臂除了具有常规机械臂具有的高度耦合和非线性特性外,还具有关节柔性大的特点。本文基于中心自主研发的五自由度采样机械臂,对其进行控制系统设计。首先,设计机械臂控制系统。本机械臂控制系统采用模块化的设计思想,传统的多轴集中控制已不适合。本文设计了基于关节控制器的分布式控制系统,各关节驱动器和上位机通过CAN通信联系起来。其次,对机械臂进行了运动学建模。,并结合几何方法求解机械臂的运动学参数。机械臂的运动学包括前向运动学和逆向运动学,,逆向运动学以几何方法建模。再次,建立采样机械臂关节的非线性摩擦模型。应用卡尔曼滤波与牛顿预测相结合的方法估算采样机械臂关节的角加速度;应用电流采样电路采集电机的电流。将估算的角加速度和采集的电流带入推导出的摩擦力矩计算摩擦力矩。根据得到的摩擦力矩与关节转角之间的关系,拟合出基于指数摩擦模型的机械臂关节非线性摩擦模型。再次,设计机械臂控制系统的硬件与软件。参照常规机械臂控制节点的设计方法,并结合自身的需求,设计了包括电机驱动、角度检测、电流检测和CAN 通信的机械臂关节控制器硬件。在硬件电路的基础上设计机械臂关节节点控制算法,并根据机械臂的实际需求编写基于VC++的机械臂控制系统界面。最后,本文开发设计的机械臂控制系统可满足月面采样机械臂原理样机的采样要求。采样机械臂原理样机在1:l着陆器与上升器组合模拟平台上的理想工况和极限工况的采样转移实验取得成功,证明了本文设计的机械臂控制系统的合理性与可行性。关键词:采样机械臂;非线性摩擦;角度处理;PID;CAN总线硕士学位论文 Abstract The sample robotic of luna’S surface isused to select surface regolith,this robotic arm’s special characteristic isjoints flexible,despite theconventional robotic arms’coupling and nonlinear on the 5DOF sample robotic arm which was made by center of space exploration ministry ofeducation independently, a control system ofthisrobotic isdesigned. Firstofall,the control system isdesigned byusing themodularization designing. A distributed control system isbuilt based on the CAN protocol,not aconventi