五自由度桌面机械臂运动学及控制系统研究

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1、：ＴＰ２３单分类号位代码：１０１８３研究生学号：２０１３４１Ｅ０１６密级：公开吉林大学硕士学位论文工程硕士）（五自由度桌面机械臂运动学及控制系统研究ＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＫｉｎｅｍａｔｉｃｓａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＳｓｔｅｍｆｏｒｙ５Ｄ０ＦＤｅｓｋｔｏｐＲｏｂｏｔｉｃＡｒｍ作者姓名：李梦然类别：工程硕士领域（方向）：机械工程指导教师：呼咏教授企业导师：尹廷林教授级高工培养单位：机械科学与工程学院２０１８年６月—————————————————————五自由度桌面机械臂运动学及控制系统研究————

2、—————————————————ResearchofKinematicsandControlSystemfor5DOFDesktopRoboticArm作者姓名：李梦然专业名称：机械工程指导教师：呼咏教授企业导师：尹廷林教授级高工学位类别：工程硕士论文答辩日期：2018年6月2日摘要摘要五自由度桌面机械臂运动学及控制系统研究机械臂作为一种自动化和智能化水平较高的设备，可以有效提高生产效率。传统的工业机器人由于笨重、价格昂贵，很难走进人们的日常生活。随着3C产品及服务机器人的快速发展，近年来出现了体型较小的桌面机械臂，它广泛应用于教育、服务、文化娱乐和医疗等行业。本

3、文根据实际需求，研发了一种五自由度桌面机械臂。本文详细研究了国内外机械臂的发展状况，分析了国内外在工业机器人领域存在的差距。对涉及机械臂的关键技术进行了深入分析，结合五自由度桌面机械臂的功能要求，完成了总体方案设计。通过对不同机械臂结构形式进行对比分析，选择了结构形式和驱动方式。根据总体方案要求，采用模块化设计思想，对五自由度桌面机械臂的底座、手臂和末端执行器进行了详细的设计和计算，并完成了三维模型的建立和实物的搭建。为了研究五自由度桌面机械臂的运动过程，根据D-H法建立了机械臂关节坐标系，并研究了坐标平移、坐标旋转以及坐标复合变换的对应变换矩阵。结合五自由度桌面机

4、械臂的结构特点和关节参数，对其进行了正运动学和逆运动学分析，建立了正运动学和逆运动学解析方程，并针对逆运动学方程的多解问题进行了分析。根据五自由度桌面机械臂的功能要求，完成了控制系统的硬件设计，以CarduinoUNOR3作为开发板，对舵机接口、液晶屏显示接口、手动按键接口、通讯接口以及多种传感器接口进行了集成，采用Arduino传感器扩展板v5.0对这些接口进行了集成，极大简化了接口电路。采用舵机作为驱动关节的动力，完成了手动调试电路、液晶屏显示电路的设计。利用ArduinoIDE（集成开发环境）完成了控制程序设计，主要包括舵机驱动控制程序、手动调试程序及液晶屏显

5、示程序的设计。为了验证五自由度桌面机械臂的合理性，对其进行了负载试验和定位精度试验。试验结果表明，所研发的五自由度桌面机械臂满足负载和定位精度要求需求。该机械臂运动平稳，结构简单，能够应用于教育、娱乐、服务等行业，同时，为机械臂的轻量化设计和模块化设计提供了一定的参考。关键词：桌面机械臂，五自由度，运动学，控制系统，D-H法坐标系，舵机，Carduino开发板IAbstractAbstractResearchofKinematicsandControlSystemfor5DOFDesktopRoboticArmRobotarmisanequipmentwithhig

6、hautomationandintelligence,whichcaneffectivelyimprovingproductivity.Itishardfortraditionalindustrialrobotstocomeintopeople’sliveforitsbigsizeandhighcost.Astherapiddevelopmentin3Cproductandservicerobots,therehasbeenadesktoprobotarminrecentyears.Itisusedineducation,service,cultureandente

7、rtainment,healthcare.Accordingtopracticerequirements,a5DOFdesktorobotarmwasdevelopedinthispaper.Thedevelopmentofrobotarmathomeandabroadwasresearchedcloselyinthispaper.Thegapsinroboticsindustrybetweenhomewithabroadwasfurtherstudied.Thekeytechnologyofrobotarmwasanalyzeddeeply.Thewholes