机械臂神经网络自适应控制

机械臂神经网络自适应控制

一.前言

由于经典控制方法和现代控制方法在控制机器人这种复杂系统时所表现的种种不足，近年来，越来越多的学者开始将智能控制方法引入机器人控制，实现机器人控制的智能化。主要的控制方法有：模糊控制Fc，神经网络控制NNc，专家控制Ec等等。对于复杂的环境和复杂的任务，如何将人工智能技术中较少依赖模型的求解方法与常规的控制方法来结合，正是智能控制所要解决的问题。因此，智能控制系统必须具有模拟人类学习和自适应、自组织的能力。现代智能控制技术的进步，为机器人技术的发展尤其是智能机器人技术的研究与发展提供了可能。神经网络的研究已经有30多年的历史，它是介于符号推理与数值计算之间的一种数学工具，具有很好的学习能力和适应能力，适合于用作智能控制的工具，所以神经网络控制是智能控制的一个重要方面。由于神经网络在许多方面试图模拟人脑的功能。因此神经网络控制并不依赖精确的数学模型，并且神经网络对信息的并行处理能力和快速性，适于机器人的实时控制。神经网络的本质非线性特性为机器人的非线性控制带来了希望。神经网络可通过训练获得学习能力，能够解决那些用数学模型或规则描述难以处理或无法处理的控制过程。同时神经网络还具有很强的自适应能力和信息综合能力，因而能同时处理大量的不同类型的控制输人，解决输入信息之间的互补性和冗余性问题，实现信息融合处理。这就特别适用于像机器人这样具有复杂的不确定性系统、大系统和多变量高度非线性系统的控制。近年来，神经网络在机器人控制中得到了广泛的应用。

二、机械臂系统设计

机械臂是一个多输人多输出、强耦合的复杂机电系统，要对其实现精确的控制比较困难。为此，先不考虑机械臂的动态控制，只对其进行运动控制，使其能够准确的跟踪给定的轨迹曲线。其基本的控制结构，如图1所示。

(一)机械臂的模型设计

本文针对两关节机械臂进行设计，两关节机械臂的控制图如下

n一连杆平面机械臂的动力学模型如下式：

（2-1）其中分别代表各关节的角度位置、角速度以及角加速度；

为惯性矩阵；为向心矩阵；为重力向量；代表控制输入向

量。

（2-2）

控制目标：对于给定的期望关节角轨迹，为机械臂设计一个神经网络控制器，使

得控制器能够实现真正的学习与控制。

(二)径向基神经网络

基于高斯径向基函数RBF网络，是以函数逼近理论为基础而构造的一类前向网络，这类网络的学习等价于在多维空间中寻找训练数据的最佳拟合平面。RBF网络的每个隐层神经元传递函数都构成了拟合平面的一个基函数。它在机械臂轨迹跟踪控制中是一种较为系统、逼近精度最高的方法，它能够保证机械手位置和速度跟踪误差渐进收敛于零。

径向基函数：对于一个位于[0,∞]上的连续正函数S(.)，如果它按如下形式给出：

（2-3）

其中，dB（p）是位于[0,∞]上的有限.非负菠菜尔测度，r∈[0,∞]，则函数S(.)就是一个径向函数。

三、仿真

一个两关节机械臂，其系统参数如下：

（3-1）

对期望轨迹 Xd=[0.8sin(t),0.8cos(t), 0.8cos(t),-0.8sin(t)]t,在初始状态为X（0）=[0,0.65,0.75,0]t,神经网络权值初始值W（0）=0的情况下，关节角跟踪误差仿真结果如图1。

图1 关节角跟踪误差

四.结论

由于机械臂关节控制系统具有非线性和参数变化等特点，传统的基于线性定常系统的控制方法很难取得理想的控制效果。因此，只有采用先进的控制方法才能改善被控对象的动态特性，提高控制品质。仿真情况表明，本文采用的自适应控制方法是有效可行的，在机械臂关节控制中具有一定的参考价值。在仿真中，图1表明了机械臂关节角对期望轨迹的良好跟踪性能。因此神经网络控制在机械臂中很好的智能控制应用。

多自由度机械手设计说明书

本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月

本科毕业设计(论文) 题目：多自由度机械手设计 系别：机电信息系 专业：机械设计制造及其自动化 班级： 学生： 学号： 指导教师： 2013年4月

多自由度机械手设计 摘要 随着现代科学技术的发展，机器人技术越来越受到广泛关注，在工业生产日益现代化的今天，机器人的使用变得越来越普及。因此，对于机器人技术的研究也变得越来越迫切，尤其是工业机器人方面。本论文作者针对这一领域，设计了一款液压机械机械手，该机器人拥有五个自由度。首先，作者针对该机器人的设计要求，对结构设计选择了一个最优方案，对关键零件设计并进行校核。 本课题是一个机械、液压紧密的实用性项目，文中对机械手机械结构的设计、液压系统的设计。最后，总结了全文，指出了机械手的改进措施、应用前景和发展方向。 关键词：机械手；液压系统；五个自由度

Many degrees of freedom manipulator design Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom

基于单片机的机械臂控制系统设计与制作汇总

基于单片机的机械臂控制系统设计与制作 电子信息科学与技术专业 学号：3080203201 姓名：丁路 班级：电科081 日期：2011.10.26

目录 课程设计题目及要求 第一章绪论 1.1 设计题目及要求 1.2 设计内容 第二章硬件设计 2.1 硬件结构图 2.2 各模块工作原理及设计 2.2.1 控制模块 2.2.2 显示模块 2.2.3 按键模块 2.2.4 舵机模块 2.3 软件程序设计 第三章硬件制作以及程序的下载调试 3.1 电路板的制作 3.2 元器件的焊接 3.3 程序的下载与调试 第四章总结 4.1 课程设计体会 4.2 奇瑞参观感受 课程设计题目及要求

题目：基于单片机的机械臂控制系统设计与制作 实习内容： 1，完成基于单片机的机械臂控制系统原理图和PCB的绘制，在基本要求的基础上自己可以作一定的扩展； 2，利用热转印纸、三氯化铁腐蚀液等完成PCB板的制作； 3，完成相应电路的焊接和调试； 4，完成相应软件程序的编写； 5，完成软、硬件的联调； 6，交付实习报告。 实习要求： 1，两人一组，自由搭配，但要遵循能力强弱搭配、男女搭配、考研和不考研的搭配； 2，充分发挥主观能动性，遇到问题尽量自己解决，在基本要求基础上可自由发挥； 3，第一次制作电路，电路不可追求复杂； 4，注意安全！熨斗、烙铁。 第一章绪论

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性价比，受到人们的重视和关注，应用广泛，发展迅速。单片机集体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求低、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易等众多优点，以广泛用于工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面，无论在民间、商业、及军事领域单片机都发挥着十分重要的作用二十一世纪，随着机械化、自动化水平的不断提高，不仅减轻了劳动强度、提高生产率，而且把人类活动从危险、恶劣环境中替换出来。而其中机器人技术，显示出极大的优越性；在宇宙探索、海洋开发以及军事应用上具有重要的实用价值。大力发展机器人技术，一方面能让社会从劳动苦力型转换到福利休闲型，另一方面能极大的提高民众的幸福感。在新时期的世界各国，随着应用日益广泛，机器人技术将不断发展并走向成熟。 本次课程设以单片机作为控制器实现对机械手臂的简单控制。在单片机最小系统的基础上扩展按键接口和舵机接口以及LED显示器，构成最简单的机械臂控制系统。 第二章硬件设计 2.1 硬件结构图 本系统的控制器采用的是STC 12C5A32S2单片机，具有A/D转换

【CN110315527A】一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910140183.X (22)申请日 2019.02.26 (71)申请人 浙江树人学院(浙江树人大学) 地址 312028 浙江省绍兴市柯桥区杨汛桥 镇江夏路2016号 (72)发明人 吴凡　 (74)专利代理机构 杭州永航联科专利代理有限 公司 33304 代理人 李铃 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方 法 (57)摘要 本发明涉及柔性机械臂技术领域，且公开了 一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，所 述控制方法包括以下步骤：步骤1、建立柔性机械 臂的的动力学模型；步骤2、设计基于动态模式的 柔性机械臂的控制器；步骤3、对柔性机械臂的角 度运动进行控制：步骤3.1、对柔性机械臂的不定 性参数进行分析建模；步骤3.2、对柔性机械臂的 角度的位移和转动进行控制；步骤3.3、对柔性机 械臂各关节的角度位置矢量进行控制；步骤3.4、 对柔性机械臂的智能角度空间差进行集合控制 柔性机械臂的位姿。该自适应动态规划的柔性机 械臂控制方法，较好的提高了对柔性机械臂的控 制精度，操作简单方便，能够有效的缩短控制时 间， 提高了控制效率。权利要求书2页 说明书4页CN 110315527 A 2019.10.11 C N 110315527 A

1.一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤： 步骤1、建立柔性机械臂的的动力学模型； 步骤2、设计基于动态模式的柔性机械臂的控制器； 步骤3、对柔性机械臂的角度运动进行控制： 步骤3.1、对柔性机械臂的不定性参数进行分析建模； 步骤3.2、对柔性机械臂的角度的位移和转动进行控制； 步骤3.3、对柔性机械臂各关节的角度位置矢量进行控制； 步骤3.4、对柔性机械臂的智能角度空间差进行集合控制柔性机械臂的位姿； 步骤4、对柔性机械臂的关机角速度进行控制。 2.根据权利要求1所述的一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于：所述柔性机械臂的动力学模型为：其中，q＝[q r *q f ]T ，q r 表示m个关节角矢量，q f 表示n -m维弹性模态坐标矢量，M是对称正定的质量矩阵，C代表反对称的柯氏力和向心力矩阵，F是摩擦力矩矢量，u是m个关节的输入力矩矢量，用差商代替 导数可得到如下的差分方程： 3.根据权利要求1所述的一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于：所述柔性机械臂控制器的最小二乘法：令p＝q i +K α(r i -q i )，r i 是系统的参考输入矢量，K α为正的对角矩阵，用q代替q r+1可得到如下关系：B(q i )u＝M(q i )(p -2q i +q i -1)/h 2，用解矛盾方程的最小二乘法求出u，u＝(B T (q i )B(q i ))-1B T (q i )K βM(q i )(p -2q i +q i -1)/h 2，K β为正的对角矩阵。 4.根据权利要求1所述的一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于：所述柔性机械臂的不定参数的分析建模方法如下：在建立的二维机械手臂模型中，排除摩擦力的影响，只对外部干扰与不定性参数进行研究分析建立模型，用公式表示为 ： 其中，d j 为坐标系广义坐标，速度为广义速度，W d 为柔性机械臂 运动过程中的广义力，d为旋转角度，q表示连接杆距离。 5.根据权利要求1所述的一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于：所述柔性机械臂的角度的位移和转动进行控制的具体方法如下：柔性机械臂在不同的环境下工作，关节的位移和转动都会引起能量变化，N表示动能，U表示势能，用公式表示为 ： 将U 1与U 2代入柔性机械臂的动能与势能方程中可得： 排除干扰量的柔性机械臂的的运动能量变化转换控制完成。 6.根据权利要求1所述的一种自适应动态规划的柔性机械臂控制方法，其特征在于：柔 权　利　要　求　书1/2页2CN 110315527 A

9.7 机器人神经网络自适应控制

声明：应部分读者的要求，本书第9章增加“机器人神经网络自适应控制”一节，图序、公式序顺延。 9.7 机器人神经网络自适应控制 机器人学科是一门迅速发展的综合性前沿学科，受到工业界和学术界的高度重视。机器人的核心是机器人控制系统，从控制工程的角度来看，机器人是一个非线性和不确定性系统，机器人智能控制是近年来机器人控制领域研究的前沿课题，已取得了相当丰富的成果。 机器人轨迹跟踪控制系统的主要目的是通过给定各关节的驱动力矩，使得机器人的位置、速度等状态变量跟踪给定的理想轨迹。与一般的机械系统一样，当机器人的结构及其机械参数确定后，其动态特性将由动力学方程即数学模型来描述。因此，可以采用自动控制理论所提供的设计方法，采用基于数学模型的方法设计机器人控制器。但是在实际工程中，由于机器人是一个非线性和不确定性系统，很难得到机器人精确的数学模型。 采用神经网络，可实现对机器人动力学方程中未知部分的精确逼近，从而实现无需建模的控制。本节讨论如何利用神经网络控制和李雅普诺夫（Lyapunov ）方法设计机器人轨迹跟踪控制的问题，以及如何分析控制系统的稳定性和收敛性。 9.7.1 机器人动力学模型及其结构特性 n 关节机械手动态方程可表示为： ()()()(),d ++++=M q q V q q q G q F q ττ （9.30） 其中，n R ∈q 为关节转动角度向量，()M q 为n n ?维正定惯性矩阵，(),V q q 为n n ?维向心哥氏力矩，()G q 为1?n 维惯性矩阵，()F q 为1?n 维摩擦力，d τ为未知有界的外加干扰，n R ∈τ为各个关节运动的转矩向量，即控制输入。 机器人动力学系统具有如下动力学特性： 特性1：惯量矩阵M(q)是对称正定阵且有界； 特性2：矩阵(),V q q 有界； 特性3：()()2,-M q C q q 是一个斜对称矩阵，即对任意向量ξ，有 ()()()2,0T -=ξ M q C q q ξ (9.31)

6自由度机械臂控制系统设计(软件)本科本科毕业论文

本科毕业论文（设计） ( 2014 届) 6自由度机械臂控制系统设计（软件）院系电子信息工程学院专业电子信息工程 姓名许克伟 指导教师范程华讲师 2014年4月

摘要 本文设计了一种以STC89C52单片机为主控元件的六自由度机械臂抓取系统。文中给出了系统的硬件设计方案以及各个功能原理图，同时给出了软件系统设计方法。系统实现了自动寻找目标并自动实施抓取目标且可通过PC上位机实时显示和控制机械手臂的功能，并能实现自动探测手臂与目标之间距离。在设计时，由于需要测量的距离范围从几厘米到几十厘米，针对超声波在传播时振幅呈指数衰减的特性，为了最大限度地提高驱动能力，采用对回波进行多级放大，以达到了设计要求，由于各个模块供电要求不同，电源电路模块通过稳压芯片输出7.2V、5V和3.3V电压。软件主要分为超声波距离测量模块和无线通信模块、数据处理模块这三大模块。软件的这种“自顶向下”的模块化软件编程方法，能使软件的结构更清晰，并有利于软件的调试和修改。经过调试，达到能够实现自动抓取目标和手动控制抓取目标功能。 关键词：超声波；VB上位机；六自由度机械手臂；STC89C52

This paper designs a mechanical arm whose main control component is STC89C52 single-chip microcomputer and based on the six degrees of freedom to control scraping system. Hardware design scheme of the system and each functional machine schematic diagram are also given in this paper , software program design method is given at the same time, the system realizes the automatic searching target and the implementation of automatic grab and real-time display by PC ,and realizes the function of controlling mechanical arm, and can realize to automatically detect the distance between the arm and target, then implement real-time display on the upper machine. .When designing, due to the distance need to measure ranges from several centimeters to tens of centimeters, aiming at the characteristics of ultrasonic wave amplitude decay exponentially in transmission, in order to develop the drive ability maximally, the echo multistage amplifier is be adopted. Due to the different requirements for each module power supply, in order to achieve the design requirements, power supply circuit module output voltage 7.2V, 5V and 3.3V through the voltage regulator chip. The software is mainly divided into three modules : the ultrasonic distance measuring module and wireless communication module, data processing module. The "top-down" modular software programming method of software can make the software structure more clearly, and benefit in the debugging and modification of software. After debugging, it can realize the function of grabbing the target though automatically add manually control. Key words: Ultrasonic wave;VB;Six degrees of freedom robotic arm;STC89C52

神经网络自适应控制

神经网络自适应控制 学院：电气工程与自动化学院 专业：控制科学与工程 姓名：兰利亚 学号： 1430041009 日期： 2015年6月25日

神经网络间接自适应控制 摘要：自适应模糊控制系统对参数变化和环境变化不敏感,能用于非线性和多变 量复杂对象,不仅收敛速度快,鲁棒性好,而且可以在运行中不断修正自己的控制 规则来改善控制性能,因而受到广泛重视。间接自适应控制是通过在线辨识的到 控制对象的模型。神经网络作为自适应控制器，具有逼近任意函数的能力。 关键词：神经网络间接自适应控制系统辨识 一、引言 自适应控制系统必须完成测量性能函数、辨识对象的动态模型、决定控制 器如何修改以及如何改变控制器的可调参数等功能。自适应控制有两种形式： 一种是直接自适应控制，另一种是间接自适应控制。直接自适应控制是根据实 际系统性能与理想性能之间的偏差，通过一定的方法来直接调整控制器的参 数。 二、间接自适应系统分析与建模 2.1系统的分析 系统过程动态方程：y(k+1)= -0.8y(k)/(1+y2(k))+u(k),参考系统模型 由三阶差分方程描述： ym(k+1)=0.8ym(k)+1.2ym(k-1)+0.2ym(k-2)+r(k) 式中，r(k)是一个有界的参考输入。如果输出误差ec(k)定义为 ec(k)=y(k)-ym(k),则控制的目的就是确定一个有界的控制输入u(k),当k趋于 正无穷时，ec(k)=0.那么在k阶段，u(k)可以从y(k)和它的过去值中计算得 到： u(k)=0.8y(k)/(1+y2(k))+0.8y(k)+1.2y(k-1)+0.2y(k-2)+r(k) （1） 于是所造成的误差方程为： ec(k+1)=0.8ec(k)+1.2ec(k-1)+0.2ec(k-2) （2） 因为参考模型是渐进稳定的，所以对任意的初始条件，它服从当k趋于无穷， ec(k)=0。在任何时刻k，用神经元网络N2计算过程的输入控制，即 u(k)=-N[y(k)]+0.8y(k)+1.2y(k-1)+0.2y(k-2)+r(k) （3） 由此产生非线性差分方程：y(k+1)=-0.8y(k)/(1+y2(k))+N[y(k)] +0.8y(k)+ 1.2y(k-1)+0.2y(k-2)+r(k) （4） 故设计的要点是设计一个神经网络来逼近0.8y(k)/(1+y2(k))。 2.2系统的建模设计过程 第一步，用BP神经网络逼近，神经网络的结构包含三层：输入层、隐含层 和输出层。BP网络的训练过程如下：正向传播是输入信号从输入层经隐层传向 输出层，若输出层得到了期望的输出，则学习算法结束；否则，转至反向传 播。 第二步，输入测试样本，对神经网络的逼近程度进行测试，将测试后的期

3个自由度机械手

优秀设计 引言 机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。 工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.1 机械手的分类 机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。 1、简史 机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。 1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。 1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。 1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。 联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。 日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。 前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

多自由度机械臂控制算法设计..

摘要 机器人是一种能够进行编程并在自动控制下执行某些操作和移动作业任务的机械装置。而机械臂作为机器人最主要的执行机构，是一个十分复杂的多输入多输出非线性系统,它具有时变、强耦合和非线性的动力学特征，因其控制的复杂性引起了相关从业人员的广泛关注。随着时代的进步，像军事制造、工业生产、日常生活及教育娱乐等各个领域对机器臂控制技术应用需求逐渐加大，从而使得设计一套工作空间大，运动灵活的多自由度机器臂尤为重要。 机械手臂运行轨迹追踪控制技术有包括：adaptive control(自适应控制)、smvsc(滑模变结构控制)、Robust adaptive control(鲁棒自适应控制)、Fuzzy adaptive(模糊自适应）等四大类。本文主要运用模糊PID控制设计二自由度机械臂控制算法，该控制方法具有模糊控制灵活和适应性强的优点，也具有经典PID控制精度高的特点。 本文围绕二自由度机械臂控制算法设计，首先建立二自由度关节型机械臂的数学模型，即二自由度机械臂输入驱动力矢量和输出转动角度矢量之间的函数关系。然后运用模糊PID控制设计一套机械臂轨迹规划算法，能够根据使用者的作业任务要求，求出二自由度机械臂终端执行器的轨迹。并研究如何对于给定的系统设计出PID控制器，实现控制系统的输出对参考输入跟踪，以及对扰动输入响应具有较小的振幅，且能够衰减到零即无稳态误差。最后给出了基于MATLAB/SIMULINK软件的案例分析,阐释模糊PID控制算法行之有效性。 关键词:多自由度，机械臂，PID算法控制，数学模型

Abstract Robot is a kind of programming and perform certain operations and mobile task mechanism in automatic control. And robot arm as the main executive body, is a very complex multi input and multi output nonlinear system, it has a time-varying, strong coupling and nonlinear dynamic characteristics, due to the complexity of the control caused wide attention of practitioners. With the progress of the times, like military manufacturing, industrial production, daily life and entertainment, education and other fields of a robot arm control technology application requirements gradually increase, from the design a large working space, the flexible movement of the multi degree of freedom robot arm is particularly important. Mechanical arm trajectory tracking control technology including: adaptive control, SMVSC, robust adaptive control, fuzzy adaptive etc.. In this paper, the use of fuzzy PID control design for two degree of freedom manipulator control algorithm, the control method with fuzzy control of a flexible and adaptable advantages, also has the classic PID control the characteristics of high precision. This paper focuses on the design of control algorithm of two degrees of freedom manipulator, a mathematical model of two-DOF Manipulator, namely two-DOF Manipulator driving force and rotation angle between the output function. Then use the control to design a manipulator trajectory planning arithmetic of fuzzy PID method, according to the user's task requirements and for two degrees of freedom manipulator end effector trajectory. And study how to design a system for PID controller is given, to achieve the output of the control system of the reference input tracking, and disturbance input response amplitude is smaller, and can decay to zero no steady state error. Finally, a case analysis based on MATLAB/SIMULINK software is presented to illustrate the effective of PID fuzzy control algorithm. Key Words: Multi degree of freedom, manipulator, control, PID algorithm, mathematical mode

基于PLC的机械手臂控制系统设计

基于PLC机械手控制系统设计 摘要 随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。 在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。 本文主要论述了基于PLC设计的机械手控制系统。首先，对可能用到的可编程控制器进行了相关的介绍，再选择设计所用到的PLC型号。然后，通过对机械手的控制方式及各功能的实现方式进行研究，确定各功能的实现方案和设计控制系统所用到的器材。最后，对PLC控制系统的软件程序和硬件结构进行设计。 关键词：工业自动化；可编程控制器；机械手；远程控制；传感反馈

Abstract With the development of modern industrial technology, industrial automation technology is more and more high, the production conditions also tended to bad situation, the front-line workers skills also put forward higher requirements, and the operation safety of workers has also been a corresponding threat. The workers work environment and work content also requires ideal for some simple, reciprocating work by robot remote control or automatic completion is very important This can avoid some people can not contact with the human body damage, such as metallurgy, chemical, pharmaceutical, aerospace, etc.. In the mechanical manufacturing industry, the application of mechanical hand more, the development of faster. At present, it is mainly used in machine tools, forging press under the material and welding, painting and other operations, it can be in accordance with pre established operating procedures to complete the prescribed operation, and some also have with sensor feedback ability, can cope with external changes. Application of the manipulator, to improve the material transfer, workpiece loading and unloading, tool replacement and machine assembly automation, which can improve labor productivity, reduce production costs, accelerate the pace of industrial production mechanization and automation. This paper mainly discusses the design of manipulator control system based on PLC. First, the possible use of the programmable controller is related to the introduction, and then choose the design of the PLC model. Then, through the control mode of the manipulator and the realization way of each function, the realization scheme of each function and the equipment used in the design control system are determined. Finally, the software program and hardware structure of PLC control system are designed. Keywords: industrial; automation programmable controller ; manipulator； Remote control；sensor feedback

双关节机械臂自适应控制

第一部分：系统建模 一个带有未知负载的两关节平面机械臂结构如图1－1所示。第二个关节连同负载可视为一个整体，具有4个未知物理参数，分别为质量e m 、转动惯量e I 、质量中心距第二关节处的距离ce l ，质量中心与第2机械臂的夹角e δ。 机械臂的实际物理参数见表1－1。 第二部分：算法设计 J.E.Slotine 等提出了一种著名的机器人力臂自适应控制设计方法，该方法对后来机器人自适应控制的研究起了重要的作用。 2.1系统描述 双关节机械臂动力学方程可写为： τ=++)(),()(q G q q q C q q H （1.1） 其中q ＝[]T q q 21,][T 21τττ=。 2.2全局稳定的自适应控制器 设计控制律如下： q K q K q G q q q C q H D p d d ~~)(?),(??--++=τ （1.2）

其中p K 为对称正定距阵；D K 为正定距阵；H ?,C ?,G ?为H ，C ，G 的估计距阵。 考虑李雅普诺夫函数 )~~~~~)(~(2 1)(q K q a a q q H q t V p T T T +Γ+= （1.3） 其中a 是一个m 维的向量，包括未知的机械臂参数和负载的参数， a ?是a 的估计值；)()()(~t q t q t q d -=表示跟踪误差；a t a t a -=)(?)(~表示估计参数误差的向量。 对V 求导数，得 q K q a a q q H q q q H q t V p T T ~~~~~)(~2 1~)(~)(+Γ++= q K q a a q C C H q q H q G q q q C q p T T T d T ~~~~~])2(2 1[~))(),((~ +Γ++-+---=τ a a q K q G q q q C q H q T p d d ~~]~)(),([~Γ++---=τ 利用机器人的斜对称特性消去q C H q T ~)2(~2 1-项。将控制律式代入上式，得 a a q K q G q q q C q H q t V T D d d T ~~]~)(~),(~~[~)(Γ+-++= 其中)()(?)(~q H q H q H -=，),(),(?),(~ q q C q q C q q C -=，)()(?)(q G q G q G -= 根据机器人的线型特性，有 a Y q G q q q C q q H d d ~)(~),(~)(~=++ （1.4） 其中),,,(d d q q q q Y Y =是一个m n ?阶的距阵，则 ]~~[~~~)(q Y a a q K q t V T T D T +Γ+-= 通过采用自适应律，使0~~=+Γq Y a T ，即自适应律设计为 q q q q q Y a d d T ~),,,(?1-Γ-= 其中未知参数向量a 是常数向量，a a ~?=，则

MATLAB和神经网络自适应控制

自动控制理的研究离不开人类社会的发展。电子计算机的迅速发展、计算和信息处理的水平提高不断地促使着自动控制理论向更复杂的方向发展。自适应控制的提出是针对系统的非线性、不确定性、复杂性。它的研究主要目标不再是被控对象而是控制系统本身。自上世纪年代初神经网络控制系统，提出了基于理论和应用方面都有了新的突破。 MATLAB简介 MATLAB是美国MathWorks公司开发的用于教育、工程与科学计算的软件产品，它向用户提供从概念设计、数据分析、算法开发、建模仿真到实时实现的理想集成环境，是国际控制界公认的标准计算软件。经过十多年的不断地完善和扩充，MATLAB已经拥有了数十个工具箱和功能模块，可以实现数值分析、优化、统计偏微分方程数值解、自动控制、信号处理、图像处理、声音处理、系统建模等诸多领域的计算和图形显示功能。 MATLAB提供了一种用于编程的高级语言——M语言。M语言是一种面向科学与工程计算的高级语言，其最大的特点是简单和直接。它允许用数学形式的语言编写程序，MATLAB的程序文件和脚本文件通常保存为后缀为“.m”的文件，可以称之为M文件。MATLAB是一种基于不限维数组数据类型的内部交互系统，它既能够进行矩阵和向量计算，也能够采用特定的方法在标量语言中编写程序。它采用一些常用的数学符号来表示问题及其解决方案，将计算、可视化和编程等功能集成于一个简单、易用的开发环境中，为用户工作平台的管理和数据的输入/输出提供了便利的方法，同时还提供了M文件的扩展和管理工具。 神经网络自适应控制 人工神经网络ANN( Ar tif icial Neur al Netw ork) 简称神经网络，是在现代神经学的基础上提出来的，是对人脑或自然神经网络基本特征的抽象和模拟。神经网络很早之前就被证明出来有逼近任意连续有界非线性函数的特殊能力。因此它有很多优点，比如强鲁棒性、容错性、强自适应能力强等。复杂的系统控制提供了一条全新的思路和选择。神经网络控制系统的结构形式有很多种，本文着重介绍神经网络自适应控制方法。一般包括补偿器和自适应处理单元。自适应控制系统的本质是一个非线性随机控制系统，很难为其找到合适的数学模型。为了充分发挥出自适应控制系统的优越性能，提高控制系统的鲁实时性、容错性、鲁棒性以及控制系统参数的自适应能力，能更有效地实现对一些非线性复杂过程系统的

三自由度机械手臂设计说明书

SHANDONGＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 课程设计说明书 三自由度机械手臂设计 学院：农业工程与食品科学学院 专业：农业机械化及其自动化 学生姓名：赵国0911034036 学生姓名：李继飞0911034030 学生姓名：程小岩0912034039 指导教师：程卫东 2013 年1 月

摘要 在当今大规模制造业中，企业为提高生产效率，保障产品质量，普遍重视生产过程的自动化程度，工业机器人作为自动化生产线上的重要成员，逐渐被企业所认同并采用。工业机器人的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平，目前，工业机器人主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作，工作方式一般采取示教再现的方式。 本文将设计一台四自由度的工业机器人，用于给冲压设备运送物料。首先，本文将设计机器人的底座、大臂、小臂和机械手的结构，然后选择合适的传动方式、驱动方式，搭建机器人的结构平台；在此基础上，本文将设计该机器人的控制系统，包括数据采集卡和伺服放大器的选择、反馈方式和反馈元件的选择、端子板电路的设计以及控制软件的设计，重点加强控制软件的可靠性和机器人运行过程的安全性，最终实现的目标包括：关节的伺服控制和制动问题、实时监测机器人的各个关节的运动情况、机器人的示教编程和在线修改程序、设置参考点和回参考点。

目录 第1章绪论 (5) 1.1 机器人概述 (5) 第2章机器人实验平台介绍及机械手的设计 (6) 2.1自由度及关节 (6) 2.2 基座及连杆 (6) 2.2.1 基座 (6) 2.2.2 机械臂 (6) 2.3 机械手的设计 (6) 2.4 驱动方式 (8) 2.5 传动方式 (9) 2.6 制动器 (10) 第3章控制系统硬件 (11) 3.1 控制系统模式的选择 (11) 3.2 控制系统的搭建 (11) 3.2.1 工控机 (12) 3.2.2 数据采集卡 (12) 3.2.3 伺服放大器 (13) 3.2.4 端子板 (14) 3.2.5电位器及其标定 (15) 3.2.6电源 (16) 第4章控制系统软件 (16) 4.1预期的功能 (16) 4.2 实现方法 (16) 4.2.1实时显示各个关节角及运动范围控制 (16) 4.2.2直流电机的伺服控制 (16) 4.2.3电机的自锁 (16) 4.2.4示教编程及在线修改程序 (17) 第5章总结 (18)