基于MPC的六自由度机械臂递阶结构控制策略

发布时间：2023-02-08 08:32

　　随着科技的发展和社会的进步,机械臂的应用越来越广泛,论文以直流伺服电机为驱动器的工业机械臂的控制系统为研究对象进行研究。实际应用中,不仅要对机械臂实施精确的控制,还要对运动轨迹进行规划。本文设计了基于模型预测控制的六自由度机械臂递阶结构控制策略,使机械臂快速准确地到达目标位置。因此,本文对机械臂控制策略的研究有着重要的理论意义。本文主要工作如下:首先,基于D-H表示法确定机械臂的连杆坐标系,构建机械臂末端相对于基座的变换矩阵,从而建立了六自由度机械臂的运动方程,并采用几何法求解机械臂逆运动学的解析解;基于拉格朗日方程,建立了六自由度刚性关节机械臂动力学模型,在此基础上,做出适当假设,建立了柔性关节机械臂的动力学模型,并在仿真中验证了模型的正确性。其次,以机械臂运动过程中的最优时间为优化指标,采用3-5-3次多项式插值法进行轨迹规划,利用遗传算法对每段插值时间进行优化,设计了时间最优轨迹规划算法,解决机械臂在关节空间点到点的轨迹规划问题。通过与粒子群算法进行对比,证明了本文采用的方法在时间最优的条件下具有平稳性。最后,借鉴工业递阶结构预测控制体系,设计了以模型预测控制为核心的六自由度机械...

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题背景及意义
        1.1.1 课题背景
        1.1.2 研究意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 轨迹规划的研究现状
        1.2.2 控制策略的研究现状
    1.3 本文主要研究内容
    1.4 本文来源及内容安排
2 机械臂结构与运动学分析
    2.1 机械臂结构
        2.1.1 机械臂结构及其驱动方式
        2.1.2 直流伺服电机及其驱动过程
    2.2 机械臂的位姿描述
        2.2.1 位置描述
        2.2.2 姿态描述
        2.2.3 位姿描述
    2.3 机械臂的坐标变换与齐次变换矩阵
        2.3.1 平移变换
        2.3.2 旋转变换
        2.3.3 复合变换
    2.4 机械臂的运动学分析
        2.4.1 D-H表示法
        2.4.2 运动学方程
        2.4.3 逆向运动学分析
    2.5 运动学仿真结果
    2.6 本章小结
3 机械臂动力学模型建立
    3.1 机械臂动力学建模
        3.1.1 刚性关节
        3.1.2 柔性关节
    3.2 状态空间模型
        3.2.1 刚性关节
        3.2.2 柔性关节
    3.3 动力学仿真结果
    3.4 本章小结
4 机械臂轨迹规划
    4.1 3-5-3多项式函数的构造
    4.2 遗传算法原理
    4.3 时间优化问题的描述
    4.4 轨迹规划层算法
    4.5 轨迹规划算法仿真结果
        4.5.1 基于粒子群算法的仿真结果分析
        4.5.2 基于遗传算法的仿真结果分析
    4.6 本章小结
5 机械臂轨迹跟踪
    5.1 控制器设计
        5.1.1 模型预测控制原理
        5.1.2 设计MPC层控制器
        5.1.3 设计底层控制器
    5.2 机械臂递阶结构控制算法
    5.3 控制策略仿真结果
    5.4 实验验证
        5.4.1 实验平台简介
        5.4.2 实验验证
    5.5 本章小结
6 总结与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间的科研成果



本文编号：3737672