基于FPGA的六自由度机器人机械手臂的插补控制系统研究

发布时间：2017-06-10 02:02

  本文关键词：基于FPGA的六自由度机器人机械手臂的插补控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着2015年3月《中国制造2025》计划的提出和推进,“中国制造”不再是以前意义上的低成本生产和代加工,而是以“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”为基本方针,逐步实现中国制造综合实力进入世界强国前列。在世界工业4.0(德国提出,也被称为第四次工业革命的高科技计划)大环境下,机器人在工业生产中也得到广泛的应用。随着生产中对工业机器人的功能和性能的要求越来越精细,对机械手臂插补控制系统的研究和开发也具有更加重要的意义。基于单片机、ARM等插补控制器受制于算法的运算速度和实时的插补速度,且并行处理能力差。因此,采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作为主控芯片的方案更适合应用在电机控制领域。本文结合国内外工业机器人的发展和研究现状,以六自由度机械手臂的轨迹插补控制方法为研究对象,完成了机械臂插补控制系统的研究与设计。全文分析了六自由度机械手臂的结构和控制特点,以ABB公司的工业机器人IRB4400为例,通过对其建立D-H模型,完成了机械手臂的运动学分析,为机械臂控制系统的设计提供了前提条件。本课题在深入研究机械手臂插补控制技术的现有插补算法的基础上,对直线、圆弧、Bezier曲线、B样条曲线和NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)插补原理的优缺点作了对比,进而深入研究了NURBS插补算法。通过综合考虑插补算法在实现过程中的实时处理、误差约束和速度规划等因素,本课题借助QuartusⅡ13.0开发环境在Altera公司的FPGA EP4CE22E22C8中完成了NURBS曲线插补控制器的设计。系统软件方面,本课题采用Verilog HDL描述语言,根据EDA自顶向下的设计方法,完成了基于S型速度自适应控制的NURBS曲线插补控制器的设计;采用C++语言完成上位机用户控制界面的设计。系统硬件方面,本课题利用Altium Designer软件完成插补控制器硬件平台的设计,在此基础上完成了硬件电路的焊接和调试。本文通过Modelsim仿真器中的功能和时序仿真,验证分析了插补控制器的功能和性能。最终,通过设计的上位机界面、硬件插补控制器与机械手臂的联机调试,完成了整个插补控制系统的设计。本文的系统根据时间采样插补的过程,在PC端完成粗插补,利用FPGA硬件完成精插补,上、下位机之间通过USB总线方式实时传送数据。测试结果表明,本文的控制系统具有良好的可靠性、通用性和可移植性。
【关键词】：NURBS插补 工业机器人 六自由度机械手臂 FPGA
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 引言9
• 1.2 国内外机械手臂的发展现状9-10
• 1.3 机械手臂插补控制的研究现状10-11
• 1.4 研究的目的及意义11-12
• 1.5 课题研究内容与论文框架12-13
• 2 六自由度机械手臂的运动学分析13-21
• 2.1 工业机器人13-14
• 2.1.1 机械手臂的分类13
• 2.1.2 机械手臂的结构13
• 2.1.3 机械手臂的奇异位形13-14
• 2.2 机械手臂控制器设计的原则14
• 2.3 六自由度机械手臂的运动学分析14-19
• 2.3.1 D-H法建立机械手臂的直角坐标系14-17
• 2.3.2 运动学正解17-18
• 2.3.3 逆运动学分析18-19
• 2.4 机械手臂的奇异位形回避19-20
• 2.5 本章小结20-21
• 3 实时插补的NURBS曲线理论研究21-32
• 3.1 常用的机械手臂控制插补曲线21-22
• 3.2 NURBS曲线理论22-25
• 3.2.1 NURBS曲线的表示形式22-23
• 3.2.2 NURBS的参数性质23-24
• 3.2.3 NURBS的计算方法24-25
• 3.3 插补方式的选取25-27
• 3.3.1 脉冲增量插补26
• 3.3.2 数据采样插补26-27
• 3.4 NURBS插补预处理27-28
• 3.5 De-Boor算法的实时处理28
• 3.6 插补误差约束28-29
• 3.7 自适应插补控制及速度规划29-30
• 3.8 算法的仿真验证30-32
• 4 基于FPGA的插补控制器设计32-45
• 4.1 系统的结构32-33
• 4.2 插补控制器的模块设计33-40
• 4.2.1 USB2.0 驱动的设计33-35
• 4.2.2 单轴脉冲输出模块35-37
• 4.2.3 NURBS插补模块37-40
• 4.2.4 速度控制模块40
• 4.3 插补控制器的设计40-41
• 4.4 仿真与数据分析41-44
• 4.5 本章小结44-45
• 5 插补控制系统的设计45-52
• 5.1 人机交互界面45-46
• 5.2 硬件电路的设计46-48
• 5.2.1 硬件的整体功能46-47
• 5.2.2 FPGA及其外部接口47
• 5.2.3 通信电路47-48
• 5.3 硬件PCB设计48-51
• 5.3.1 原理图的设计48-51
• 5.3.2 PCB多层板设计51
• 5.4 本章小结51-52
• 6 插补系统的联机调试52-56
• 6.1 模块的连接调试52-53
• 6.2 系统的联机调试53-56
• 结论与展望56-58
• 致谢58-59
• 参考文献59-62
• 附录A 附图62-64
• 攻读学位期间的研究成果64

【参考文献】

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  本文关键词：基于FPGA的六自由度机器人机械手臂的插补控制系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：437133