六自由度运动平台实时控制的正_反解算法
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六自由度平台控制流程是一个复杂的过程,涉及多个子系统和反馈回路。
六自由度平台控制流程
一、设计阶段
1.确定平台运动范围
(1)确定平台的工作空间尺寸
(2)确定平台的最大移动范围
2.选择控制系统
(1)确定控制系统的类型
(2)选择适合的控制器
二、运动学建模
1.建立平台的运动学模型
(1)确定平台的坐标系
(2)建立运动学方程
2.运动学分析
(1)分析平台的各个自由度运动关系
(2)计算各关节的运动学参数
三、控制器设计
1.PID控制器设计
(1)确定PID控制器参数
(2)进行闭环控制设计
2.轨迹规划
(1)设计平台的运动轨迹
(2)确定平台的运动速度和加速度
四、软硬件实现
1.编写控制程序
(1)使用编程语言编写控制算法(2)软件实现运动控制
2.硬件连接
(1)连接传感器和执行器
(2)配置控制器和驱动器
五、系统调试
1.运动测试
(1)进行平台的手动控制测试
(2)检查各个自由度的运动是否正常2.控制效果验证
(1)进行自动控制测试
(2)验证控制效果和精度
六、性能优化
1.参数调整
(1)调整控制器参数
(2)优化控制算法
2.系统稳定性分析
(1)进行系统稳定性分析(2)确保平台运动稳定可靠。
基于NI实时控制器的六自由度平台测控系统设计与实现王效亮;张芳;曾宪科;栾婷;陈成峰【摘要】六自由度平台测控系统是六自由度平台的电气控制部分,它通过对六路液压缸的实时闭环控制,实现对平台位姿的控制;该测控系统采用NI的计算机,配置多种类型的PXI板卡,实现了对平台的电压、电流、数字IO、CAN总线等多种接口类型的测量和控制,满足了可靠性需求;采用了典型的上下位机控制,分别进行实时计算与任务管理,解决了实时性的控制需求;采用NI的虚拟仪器Labview开发测控软件,完成实时计算平台的正解与反解模块,作动器闭环控制等功能,增强系统的功能和灵活性;目前六自由度平台测控系统的硬件部分和软件部分都已经通过了调试,对系统进行了正弦运动和暂态特性测试,实验结果表明,运行速度快,满足了平台的控制要求.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2019(027)002【总页数】6页(P24-28,33)【关键词】六自由度平台;软件;SIT仿真模型【作者】王效亮;张芳;曾宪科;栾婷;陈成峰【作者单位】北京精密机电控制设备研究所,北京 100081;北京精密机电控制设备研究所,北京 100081;北京精密机电控制设备研究所,北京 100081;北京精密机电控制设备研究所,北京 100081;北京精密机电控制设备研究所,北京 100081【正文语种】中文【中图分类】TP273+.50 引言六自由度平台是一种模拟航天器空间运动姿态的模拟器,在其行程范围内可以模拟任意空间运动。
六自由度是平台具有六个自由运动的维度,即纵向、升降、横向、俯仰、横滚、偏航[1]。
通过对6个液压作动器的精确控制和解藕算法,实现对平台的6个自由度的位姿控制。
其系统示意图如图1所示。
图1 六自由度平台示意图六自由度运动平台可以实现对既定的轨迹的跟踪,作为运动仿真平台有着广泛的应用:1)可以作为航空飞行模拟器;2)可以作为机器人的模拟运动机构;3)在娱乐界可以作为体感模拟娱乐机;4)用作飞机、船舶、潜艇、航天器等运动载体中相关仪器设备的试验。
六自由度机械臂逆运动学自己编写代码引言:六自由度机械臂是一种灵活机械结构,通过多个关节的组合和运动,能够实现在三维空间中的各种姿态和位置变换。
机械臂的逆运动学问题是指根据目标位置和姿态,计算机械臂各个关节的角度,使得机械臂能够到达目标位置。
在本文中,我们将探讨六自由度机械臂逆运动学及其自己编写代码的方法与技巧。
1.六自由度机械臂逆运动学简介六自由度机械臂是指具有六个关节的机械臂,每个关节都可以进行旋转运动。
机械臂的逆运动学问题是指根据目标位置和姿态,计算机械臂各个关节的角度,使得机械臂能够到达目标位置。
在逆运动学问题中,需要解决的核心问题是确定机械臂各个关节的角度,并确保机械臂能够到达目标位置和姿态。
2.六自由度机械臂逆运动学求解方法解决六自由度机械臂逆运动学问题的方法有很多种,常见的有几何方法、迭代方法和优化方法等。
在本文中,我们将介绍一种基于几何方法的简单而有效的求解方法。
我们需要明确机械臂的构型和坐标系。
六自由度机械臂通常采用DH参数进行描述,每个关节都有自己的坐标系和DH参数。
根据机械臂的构型和坐标系,可以建立机械臂的正运动学模型,将目标位置和姿态转化为末端执行器坐标系下的坐标。
接下来,我们需要根据目标位置和姿态,计算机械臂各个关节的角度。
通过几何推导和三角关系,可以得到机械臂各个关节的角度解析表达式。
根据这些表达式,我们可以编写代码进行计算,得到机械臂各个关节的角度。
3.六自由度机械臂逆运动学代码编写在编写六自由度机械臂逆运动学代码时,我们可以使用编程语言如Python来实现。
以下是一种简单的代码实现方法:import numpy as npdef inverse_kinematics(target_position, target_orientation):# 定义机械臂各个关节的DH参数和初始角度# ...# 计算目标位置和姿态对应的末端执行器坐标系下的坐标# ...# 根据几何关系和三角关系计算各个关节的角度# ...return joint_angles# 设置目标位置和姿态target_position = np.array([x, y, z])target_orientation = np.array([roll, pitch, yaw])# 调用逆运动学函数,得到机械臂各个关节的角度joint_angles = inverse_kinematics(target_position, target_orientation)# 输出机械臂各个关节的角度print(joint_angles)在这段代码中,我们首先定义了机械臂各个关节的DH参数和初始角度。
六自由度机械臂逆运动学算法六自由度机械臂逆运动学算法六自由度机械臂逆运动学算法朱齐丹王欣璐(哈尔滨工程大学,哈尔滨,150001)摘要:根据D-H参数法确定六自由度机械臂的运动学方程,结合平面几何法和欧拉角变换法将机械臂的逆运动学求解问题分为两部分,一通过平面几何法确定机械臂腕部点的坐标与前三个关节角的关系,二通过欧拉角变换法确定机械臂末端姿态与后三个关节角的关系,根据逆运动解的选取原则从八组解中选取最优解;利用MATLAB中的Robotics Toolbox建立机械臂的正运动学模型,通过多组位姿下的正逆运动解对比验证逆运动学求解算法的准确性;利用VC++中的QueryPerformanceCounter函数和MATLAB中tic-toc 语句得到不同算法所消耗的平均时间,通过消耗时间的对比说明该算法的快速性;利用VC++编程实现机械臂写字的过程,通过对比输入字的形状与机械臂末端的实际运动轨迹,进一步验证该算法是一种快速而准确的逆运动学求解算法。
关键词:机器人,六自由度,机械臂,逆运动解,平面几何法,欧拉角变换法0 引言机械臂被广泛应用于机械制造、航空航天、医疗和原子能等领域,机械臂的逆运动学问题是其轨迹规划与控制的重要基础,逆运动学求解是否快速准确将直接影响到机械臂轨迹规划与控制的精度,因此针对工业中常用的六自由度机械臂,设计一种快速准确的逆运动学求解方法是十分重要的。
目前,机械臂逆运动学的求解方法主要有:迭代法、解析法和几何法。
迭代法虽然在大多数情况下是可行的,但却无法得到全部解;解析法计算较为复杂,但可以得到全部根;几何法针对机械臂的某些特殊结构进行简化,再进行求解,虽然对于一般机械臂不通用,但是其形式简单,求解所需的计算量远远小于迭代法和解析法。
Paul 等[1]于1981年提出的解析算法对后来的机械臂逆运动学问题研究有着指导性意义。
Regnier[2]于1997年提出一种基于迭代法和分布式的算法,能够求出多种结构的六自由度机械臂的位置逆解,但相应的计算时间也会变长。
六自由度平台所需功率及推力计算Sky16807@QQ:44915263一、单缸运动A. 按功率计算单缸运动,1秒内,单缸从行程0运作到行程100,造成平台的重心位置从614提高到631.2,六人平台加座椅,总重按照1吨计算。
根据功能原理:电动缸所做的功= 平台重力势能的提高⋅P=mght()3310⨯⨯-⋅⨯=6312.P-10614101P=172wB. 按受力分析计算将平台看作杠杆,单缸的升起,顶动杠杆绕着支点转动。
支点,由于六自由度平台不是简单的杠杆,运动时,支点位置漂浮并转移,不好找。
但是一个简单的道理,支点离该缸越近,该缸越省力,但是为了计算的可靠,我们认为,支点为离该缸最远的转动点。
六个缸的头尾支点分布在直径800的圆周上,于是认为单缸的力臂为800,同时,缸与水平面成角46°,由杠杆平衡:=⋅F0⋅⋅sin46400mg8006950F=N÷P3=⨯==-FS⨯695t/w1016950100单缸运动,行程刚开始时,为最费力的时刻。
当单缸继续升起,该缸越趋于垂直状态,有效分力更大;另一方面,单缸运动,平台开始转动,重心也会朝支点方向移动,该缸将更加轻松,所需的力气减小。
二、双缸运动双缸运作,分为相邻、相隔、相向三种情况。
如果是相邻缸,则和单缸运作相比,势必更省力,所需功率更小。
A. 相向的两缸对岸相向的两缸,同时运作,会造成平台的曲线平移,平移个过程中,既有水平移动又有垂直升高。
A-1 功能原理mgh t P =⋅()33106141.646101012P -⨯-⨯⨯=⋅w 5.160P =A-2 按受力分析计算相向两缸刚开始启动,两缸共承担也一直承担1/3的总重。
3/mg 46sin F 2=︒⋅N 1031.2F 3⨯=w 2311101001031.2t /FS P 34=÷⨯⨯⨯==-B. 相隔的两缸相隔的两缸的同时运作,平台将既倾转、又旋转、又升高。
我们需要定义一下本文要讨论的主题:matlab中逆运动学求解六组解的自编算法。
逆运动学问题是机器人学领域中的一个重要问题,它涉及到如何根据机器人末端执行器的位置和姿态来求解机器人关节的位置和角度。
在这篇文章中,我们将介绍一种用于求解逆运动学问题的自编算法,该算法在matlab环境下实现,并且能够求解机器人六组关节位置和角度的解。
1. 问题定义在机器人学中,逆运动学问题是一个经典的问题,它要解决的是根据机器人末端执行器的位置和姿态来求解机器人关节的位置和角度的问题。
这个问题在机器人的运动控制中具有十分重要的作用,因为它可以帮助机器人实现复杂的运动任务。
2. 逆运动学问题的求解方法目前,工程师们已经提出了多种方法来求解逆运动学问题。
其中一种常见的方法是使用数值优化算法,比如牛顿法、拟牛顿法等。
另外一种方法是使用闭式解析方法,比如雅可比矩阵法、D-H参数法等。
3. 算法设计基于以上的问题定义和逆运动学问题的求解方法,我们设计了如下的基于matlab的逆运动学求解算法:1)我们需要定义机器人的结构和运动学参数。
这包括机器人的关节数、关节类型、关节参数等。
2)我们需要定义机器人的运动学模型,包括正运动学方程和雅克比矩阵。
3)我们根据机器人的末端执行器的位置和姿态,利用逆运动学模型来求解机器人的关节位置和角度。
4)我们通过编写matlab代码来实现上述的逆运动学求解算法,并对其进行测试和验证。
4. 算法实现基于以上的算法设计,我们编写了如下的matlab代码来实现逆运动学求解算法:```matlab代码实现function [q1,q2,q3,q4,q5,q6] =inverseKinematics(pos,orientation)逆运动学求解算法输入:末端执行器的位置和姿态输出:机器人的六组关节位置和角度解步骤1:定义机器人的结构和运动学参数...步骤2:定义机器人的运动学模型...步骤3:根据机器人的末端执行器的位置和姿态,利用逆运动学模型来求解机器人的关节位置和角度...步骤4:返回六组关节位置和角度解...end```5. 算法测试与验证为了验证我们的自编算法的有效性,我们选取了一个具体的机器人模型,并对其进行了逆运动学求解。
六自由度机械臂轨迹规划及优化研究一、本文概述理论基础与问题阐述:本文将系统梳理六自由度机械臂的数学模型,包括其笛卡尔坐标系下的运动学逆解与正解、动力学建模,以及关节空间与操作空间之间的转换关系。
在此基础上,明确阐述轨迹规划与优化所面临的关键问题,如奇异位形规避、关节速度与加速度限制、路径平滑性要求、动态负载变化等因素对规划算法设计的影响。
轨迹规划方法:针对上述问题,我们将探讨和比较多种有效的轨迹规划策略。
这包括基于插值的连续路径生成方法(如样条曲线、Bzier曲线),基于优化的全局路径规划算法(如RRT、PRM等),以及考虑机械臂动力学特性的模型预测控制(MPC)方法。
对于每种方法,将详细分析其原理、优势、适用场景及可能存在的局限性,并通过实例演示其在典型任务中的应用效果。
轨迹优化技术:在基本轨迹规划的基础上,本文将进一步探究如何运用先进的优化算法对初始规划结果进行精细化调整,以达到性能最优。
这包括使用二次规划、非线性优化、遗传算法等手段对轨迹的关节角序列、时间参数化、能量消耗等指标进行优化。
还将讨论如何引入避障约束、柔顺控制策略以及自适应调整机制,以增强机械臂在复杂环境和不确定条件下的适应性和鲁棒性。
实验验证与性能评估:本文将通过仿真研究与实际硬件平台上的试验,对所提出的轨迹规划与优化方案进行详细的验证与性能评估。
实验设计将涵盖多种典型应用场景,考察规划算法的计算效率、轨迹跟踪精度、能耗表现以及对意外扰动的响应能力。
实验结果将以定量数据与可视化方式呈现,以便于对比分析和理论验证。
本文致力于构建一套全面且实用的六自由度机械臂轨迹规划与优化框架,为相关领域的研究者和工程技术人员提供理论指导与实践参考,推动六自由度机械臂技术在实际应用中的效能提升与技术创新。
二、六自由度机械臂系统建模在六自由度机械臂的研究与应用中,系统建模是一个关键环节。
本节将重点讨论六自由度机械臂的数学建模,包括其运动学模型和动力学模型。
6轴机械臂逆解算法逆解算法是指通过已知机械臂的末端工具位置,计算对应的关节角度的过程。
在六轴机械臂中,通常使用解析解法或数值解法来求解逆解。
1. 解析解法:解析解法是基于数学模型的方法,通常采用几何方法或代数方法来求解逆解。
对于六轴机械臂,在已知末端工具位置的情况下,可以利用正运动学的几何关系和三角函数关系来求解关节角度。
(1) 设置机械臂的运动学模型,可以得到输入的位置向量[x,y,z]和姿态矩阵[R11,R12,...,R33];(2) 根据机械臂的运动学模型,可以得到关节角度与位置和姿态之间的关系,即正运动学问题;(3) 根据已知的位置和姿态,可以通过三角函数等几何方法来求解出关节角度。
这种解析解法在理论上较为直观和简单,但是实际应用中可能会存在奇异点(奇异性)或者多解问题。
奇异点是指机械臂在某些位置或者姿态时,导致运动学模型无解或者解不唯一。
解决奇异点问题通常需要通过优化算法或者增加机械臂的自由度来处理。
2. 数值解法:数值解法是基于数值计算和迭代算法的方法,通过逼近和迭代的过程来求解逆解。
在数值解法中,通常使用优化算法或者迭代算法来计算逆解。
(1) 设置机械臂的运动学模型,并结合关节角度的约束条件;(2) 根据机械臂的运动学模型,可以得到关节角度与位置和姿态之间的关系,即正运动学问题;(3) 使用数值计算和迭代算法,通过逼近和调整关节角度的方法来求解逆运动学问题;(4) 优化算法和迭代算法的选择:可以使用梯度下降法、牛顿法、雅可比逆法等来求解逆解。
数值解法相对于解析解法更加通用和灵活,可以应用到各种机械臂的逆解求解中,但是计算效率可能较低,需要较多的迭代次数和计算量。
在实际应用中,逆解算法是机械臂控制和路径规划的关键步骤,可以实现机械臂在工作空间内的多样化运动和灵活性。
逆解算法的性能和精度对机械臂的控制、动作准确性和稳定性有很大的影响,因此需要根据具体应用场景和机械臂的特点选择合适的算法,提高机械臂的运动控制和规划能力。
六自由度运动平台PID控制系统仿真研究摘要Stewart 平台的出现始于 1965 年德国学者 Stewart 发明的具有六自由度运动能力的并联机构飞行模拟器。
目前经典的 Stewart 平台机构由上、下两个平台和六个可伸缩的支腿以及它们之间的连接铰链构成,其下平台通常为基台(Base-platform),上平台通常为负载平台(Payload-platform)(即 Stewart 平台的工作平台)。
Stewart平台通过六个支腿的伸缩运动可以实现负载平台在工作空间范围内的六自由度运动,并具有刚度高、精度高、承载能力强、动态特性好等优点,因此近年来被广泛应用于并联机床、精密定位平台和振动隔离平台等方面。
Stewart 平台在并联机床和精密定位平台方面的应用相对成熟,已有实用化的商品供应市场。
Stewart 平台应用于六自由度振动隔离平台的研究与开发相对发展较晚,不仅开发的系统远未达到实用化水平,其理论领域的研究也多属空白,其根本原因是应用于振动隔离的 Stewart 平台的基台是运动的,随之而带来许多新的问题。
到目前为止,在 Stewart 平台的理论研究方面已取得一些研究成果,比如Mille(r1992)使用 Lagrange 动力学方程建立了 Stewart 平台的动力学模型;Dasgupta和 Mruthyunjaya(1998)使用 Newton-Euler 动力学方程推导出闭合形式的 Stewart平台的动力学模型;Codourey 和 Burdet(1997)、Wang 和 Gosselin(1998)、Tsai(2000)等人分别利用虚功原理建立了 Stewart 平台的逆动力学模型。
但是,上述关于 Stewart 平台的动力学模型都是在假设Stewart 平台的基台固定不动的情况下建立的。
本文的主要研究工作和意义如下:1、基于 Dasgupta 提出的在基台固定情况下的 Stewart 平台的动力学模型,在Matlab/Simulink 环境下建立了 Stewart 平台闭环动力学仿真系统。