仿人机械手设计及其控制算法研究

论文摘要

受到传感技术、智能控制技术的限制,机器人在面对复杂、不确定的任务环境时无法根据需求自主地完成目标任务。现阶段人工智能的进步主要停留在计算智能的层面,计算机计算能力和数据处理算法的进步很好地解决了各种信息的问题,而在运动智能的层面依然有很多不足,机器人一般只完成固定任务,无法根据最终目标进行自主的规划运动。因此在弱人工智能到强人工智能的阶段,需要远程同步现实技术来进行过渡,由人来弥补当前机器人传感、决策、控制的不足。远程同步现实主要分为两个部分,同步即利用人体穿戴设备捕捉运动数据,现实即由一台仿人机械手来跟随人手动作,同时将所感受的压力数据反馈给穿戴设备。穿戴设备还有力反馈结构,将机械手的压力还原到人手。本文主要研究仿人机械手的结构设计、硬件电路设计、嵌入式软件设计、电机驱动控制以及仿人机械手的运动控制算法。文中所提到的仿人机械手包括机械手掌和机械手臂两个部分。仿人机械手结构设计采用CREO 5.0建模,使用MATLAB对机械手的运动学以及动力学进行仿真。采用STM32F4系列的MCU设计了小功率、小体积的永磁同步电机伺服驱动器。运用ADC与PWM同步采样,采集永磁同步电机的相电流,采样频率达到20kHz。使用MATLAB/Simulink中的S函数对电机进行了建模,采用磁场定向控制(FOC)的方式对电机进行控制。在电机驱动控制方面,对经典自抗扰控制(ADRC)进行了仿真分析,使用带遗忘因子的递推最小二乘法进行系统辨识,辨识结果引入系统前馈,并且将识别的系统参数结合已知系统部分模型的自抗扰控制对电机进行控制。最后使用旋量理论对仿人机械手进行了正逆运动学分析,将运动控制程序写入STM32F7主控制器中进行验证。本文使用嵌入式软件实现了上述电机控制算法,电机的位置控制、速度控制、电流控制均达到20kHz的控制频率,控制算法的运算时间缩减到20μs以内,位置控制动态跟踪精度达到±20脉冲以内(12位增量式编码器)。主控制器能够接收穿戴设备的无线串口信息,从而控制机械手实时同步人手姿态并反馈压力数据,同步控制周期为20ms。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 仿人机械手的国内外研究现状

1.2.1 国外仿人机械手研究现状

1.2.2 国内仿人机械手研究现状

1.3 课题研究内容

第二章仿人机械手结构设计与分析

2.1 仿人机械手掌结构简介

2.2 仿人机械手掌总体结构设计

2.2.1 欠驱动手指结构

2.2.2 仿人机械手掌结构

2.2.3 仿人机械手臂结构

2.3 仿人机械手运动学分析

2.3.1 机械手指运动学模型

2.3.2 机械手臂运动学模型

2.3.3 基于MATLAB Robotic Toolbos运动仿真验证

2.4 基于CREO5.0 仿人机械手力学仿真分析

2.5 仿人机械手工作空间分析

2.6 本章小结

第三章仿人机械手控制系统设计

3.1 仿人机械手控制系统组成

3.2 永磁同步电机伺服驱动器硬件设计

3.2.1 功率驱动电路

3.2.2 三相全桥逆变器电路

3.2.3 控制核心电路

3.3 机械臂主控制器硬件

3.4 机械手掌控制器硬件

3.5 电机驱动器控制系统软件设计

3.6 机械手掌控制系统软件

3.7 机械手臂主控制器软件

3.8 本章小结

第四章电机控制及机械臂控制算法研究

4.1 基于自抗扰控制的电机控制算法设计

4.1.1 三相永磁同步电机数学模型

4.1.2 磁场定向控制与直接转矩控制比较

4.1.3 自抗扰控制算法仿真与分析

4.1.4 电机控制算法改进研究

4.2 机械臂运动控制算法研究

4.2.1 D-H参数法

4.2.2 基于旋量理论的方法

4.2.3 基于旋量理论机械臂运动控制算法

4.3 本章小结

第五章仿人机械手实验验证与分析

5.1 硬件系统实验测试

5.2 基于自抗扰算法的PMSM电机控制实验

5.3 机械臂与机械手同步运动控制实验

5.4 实验结果总结

第六章总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄诚

导师: 杨平

关键词: 仿人机械手,人工智能,同步现实,系统辨识,旋量理论

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 生物学,生物学,自动化技术

单位: 电子科技大学

分类号: Q811;TP241

总页数: 95

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