二自由度五杆机构激光操作器轨迹规划的控制设计

发布时间：2017-03-20 05:11

  本文关键词：二自由度五杆机构激光操作器轨迹规划的控制设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机器人是工业机器人的一个分支。与传动的串联机器人不同,并联机器人的基座与末端执行器之间具有环状的闭链约束,使其具有运动惯量低、负载能力强、刚度大等优点。避免了串联机器人在关节处的误差累积效应,从而使得并联机器人逐渐成为机器人领域里的一个研究热点。并联机器人已经广泛运用于机床,机器人,力传感器等领域。本文主要为激光操作器提供一个二自由度五杆操作器并联机构运动平台,重点研究了二自由度五杆操作器控制系统。本设计主要研究内容如下:(1)本设计首先对二自由度五杆操作器进行了数学建模,随后对该数学模型进行了正、逆运动学分析求解,速度雅可比矩阵的求解和工作空间的计算。为后面上位机LabVIEW软件机构轨迹规划和仿真做铺垫。并对二自由度五杆操作器本体提出设计要求,并以此来设计总体方案和传动方案。然后分析了该机构在关节空间常用轨迹规划方法。(2)本设计控制系统硬件部分设计了FPGA开发板的相关电路原理图及其使用方式。详细阐述了交流伺服电机和减速机的选型及其工作原理。为了实现对交流伺服电机的控制,专门为FPGA控制器设计了交流伺服电机转接板。该转接板将交流电机驱动器输出的差分反馈信号转换为单极信号输入到FPGA控制板中。随后还介绍了交流伺服电机的控制原理和控制方式。(3)本设计控制系统软件部分首先介绍了Quartus II软件对下位机代码的设计流程。然后阐述了控制系统运动控制流程:FPGA开发板通过串口通信采集上位机LabVIEW软件传输过来的信号,经过下位机FPGA开发板的处理,转换成交流伺服电机可以识别的脉冲信号和模拟电压信号,控制交流伺服电机做出响应,使末端执行器完成指定任务。并用Verilog HDL语言设计了伺服电机控制模块,包括电平检测模块,串口通信波特率配置模块,信号处理模块和交流伺服电机的运动控制模块。本设计更重要的是用LabVIEW软件设计了上位机界面。在这个上位机界面内,完成直线规划、圆弧规划和工作空间的计算与仿真。并可以将计算后的数据通过串口输出给FPGA开发板。本设计完成了对本体结构的数学建模、正/逆运动学求解、轨迹规划及其控制系统的硬件设计和软件设计。经过仿真实际验证知,该设计系统有效可行。
【关键词】：二自由度五杆机构 运动学求解 轨迹规划 控制系统
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-15
• 1.1 课题研究的背景及意义9-10
• 1.2 并联机器人国内外研究现状10-14
• 1.3 研究内容14-15
• 第2章 二自由度五杆操作器结构设计15-36
• 2.1 二自由度五杆操作器运动学分析15-30
• 2.1.1 二自由度五杆操作器的数学模型的建立15
• 2.1.2 二自由度五杆的运动学理论概述15-20
• 2.1.3 二自由度五杆操作器正运动学的分析与求解20-22
• 2.1.4 二自由度五杆操作器逆运动学的分析与求解22-23
• 2.1.5 速度雅克比矩阵23-27
• 2.1.6 二自由度五杆操作器工作空间的计算27-30
• 2.2 二自由度五杆操作器机械结构设计30-35
• 2.2.1 二自由度五杆操作器机械结构的设计要求30
• 2.2.2 二自由度五杆操作器总体方案设计30-32
• 2.2.3 二自由度五杆操作器传动方案设计32
• 2.2.4 末端执行器上的激光操作器32
• 2.2.5 激光头的介绍及其安装32-33
• 2.2.6 激光驱动控制板的介绍33-35
• 2.3 本章小结35-36
• 第3章 二自由度五杆操作器轨迹规划36-43
• 3.1 关节空间轨迹规划36-40
• 3.1.1 三次多项式插值36-37
• 3.1.2 过路径点的三次多项式插值37-39
• 3.1.3 高阶多项式插值39
• 3.1.4 用抛物线过渡的线性插值39-40
• 3.2 关节轨迹规划在激光打印领域的应用40-42
• 3.3 本章小结42-43
• 第4章 二自由度五杆操作器控制系统硬件设计43-56
• 4.1 二自由度五杆操作器控制器FPGA开发板的研究44-47
• 4.2 二自由度五杆操作器驱动系统设计47-54
• 4.2.1 二自由度五杆操作器驱动方式的选取47-48
• 4.2.2 二自由度五杆操作器交流伺服电机及其减速机的选型48-50
• 4.2.3 二自由度五杆操作器交流伺服电机控制原理和控制方式50-54
• 4.3 二自由度五杆操作器控制系统硬件接线54-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第5章 二自由度五杆操作器控制系统软件设计56-74
• 5.1 基于FPGA的二自由度五杆操作器交流伺服电机控制56-64
• 5.1.1 伺服电机控制模块的整体设计56-58
• 5.1.2 伺服电机控制模块的VerilogHDL设计58-62
• 5.1.3 波形仿真验证62-64
• 5.2 基于LABVIEW的二自由度五杆操作器上位机交互界面设计64-72
• 5.2.1 LabVIEW上位机界面设计64-72
• 5.3 本章小结72-74
• 第6章 总结和展望74-76
• 6.1 全文总结74-75
• 6.2 展望75-76
• 参考文献76-79
• 致谢79-80
• 附录 1：攻读硕士学位期间发表学术论文目录与专利情况80-81
• 附录 2：攻读硕士学位期间获奖情况81

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