论文题目：工业机器人轨迹规划及其控制系统研究
摘要：自上世纪六十年代开始,人们开始将目光投注在机器人研发领域,并取得了丰硕的成果。当下,一些工业机器人已经能够完成焊接、装配等多种工作,从而应用到国防、制造等多个领域中,发挥出不可替代的作用。机器人工程学包含了多项学科知识,除了最为重要的电子、机械技术之外,同时还会用到控制理论等知识。本文以工业自动化中的5R（Revolute转动副）抓取工业机器人为研究原型,设计并搭建实物验证平台,针对机器人的运动学、轨迹规划、机构组成、控制系统、通讯系统等工作原理方面进行了探索性综合研究。本论文的主要研究工作如下:（1）5R工业机器人的运动学分析以工业5R机器人为研究原型,采用改进D-H法构建该机器人的连杆坐标系,推导出其正逆运行学公式并进行分析与解算。（2）5R工业机器人的MATLAB Simulation轨迹规划研究采用MATLAB软件中的机器人工具箱研究5R工业机器人的轨迹规划问题。首先深入分析不同空间当中的轨迹规划问题,接着考虑到关节空间内3次样条插值与5次样条插值各存在的不足,采用3-5-3样条插值对机器人轨迹进行拟合,并同时提出一种改进遗传算法对3-5-3样条插值的各段插值时间进行优化,用以解决在速度约束条件下的时间最优轨迹规划问题,结果表明该方法的有效性与可行性,为工业机器人时间最优轨迹规划提供了一种解决思路。（3）设计5R工业机器人实验平台根据课题设计的实际需求进行分析,明确5R工业机器人实验平台待开发的功能。设计分为:1)机械结构搭建2)控制系统硬件电路设计及其电子元器件选型3)控制系统软件设计这三大部分。最后开发了一款基于STM32F407嵌入式微控制器的机器人控制实验平台。（4）机器人实验平台的软件系统开发采用Keil5 MDK软件C语言程序设计对该机器人控制系统进行软件开发,将正逆运动学分析通过软件开发形式在硬件实验平台上得以体现,并且采用Visual Studio软件C#语言设计开发一款PC上位机监控软件实现电脑与机器人实验平台的实时通信控制。实验表明,整套系统运行稳定、响应速度快、定位精准,能实现轨迹规划与许多复杂操作应用。
关键词：工业机器人;运动学分析;轨迹规划;遗传算法;STM32微控制器;软件开发
学科专业：电气工程（专业学位）
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题研究背景与意义
1.2 工业机器人研究现状
1.2.1 工业机器人产业发展现状
1.2.2 工业机器人轨迹规划研究现状
1.2.3 工业机器人控制系统研究现状
1.3 本文组织结构
第二章 5R工业机器人的运动学分析
2.1 位置和姿态的表示
2.1.1 工业机器人坐标系
2.1.2 位置描述
2.1.3 方位描述
2.1.4 位姿描述
2.2 坐标变换
2.2.1 平移变换
2.2.2 旋转坐标变换
2.3 齐次坐标变换
2.3.1 齐次变换
2.3.2 平移齐次坐标变换
2.3.3 旋转齐次坐标变换
2.4 齐次变换的逆变换
2.5 机器人空间连杆描述及DH参数
2.6 5R工业机器人的运动学分析
2.6.1 运动学正解问题
2.6.2 运动学逆解问题
2.7 本章小结
第三章 基于MATLAB的5R工业机器人轨迹规划研究
3.1 笛卡尔空间轨迹规划
3.1.1 笛卡尔空间下的直线轨迹规划
3.1.2 笛卡尔空间下的圆弧轨迹规划
3.2 关节空间轨迹规划
3.2.1 关节空间中的三次样条插补算法
3.2.2 关节空间中的五次样条插补算法
3.2.3 两种规划的总结与比较
3.3 基于一种改进遗传算法的机器人最优时间轨迹规划
3.3.1 速度约束条件下的3-5-3样条插值的最优时间问题
3.3.2 最优时间的遗传算法求解过程
3.3.3 遗传算法的改进
3.3.4 仿真实验与结果分析
3.4 本章小结
第四章 基于STM32F4的5R工业机器人控制系统硬件设计
4.1 机器人机械本体的搭建
4.2 机器人控制系统的硬件设计
4.2.1 晶振电路设计
4.2.2 电源电路设计
4.2.3 复位电路设计
4.2.4 下载电路设计
4.2.5 通信接口设计
4.2.6 存储模块设计
4.2.7 关节电机驱动控制接口设计
4.2.8 其他外围电路设计
4.3 本章小结
第五章 机器人控制系统的软件设计
5.1 PC上位机软件设计
5.2 下位机软件设计
5.2.1 板卡输入电压的检测
5.2.2 机器人关节电机的驱动控制
5.2.3 机器人逆解的选取策略
5.2.4 动作组的读取、下载与删除
5.3 本章小结
第六章 系统调试与试验
6.1 舵机转角测试
6.2 末端点位置测试
6.3 直线轨迹规划试验
6.4 圆弧轨迹规划试验
6.5 其他功能实现
6.6 本章小结
第七章 总结与展望
7.1 全文总结
7.2 课题展望
参考文献
附录 A
附录 B
附录 C
附录 D
致谢