基于FPGA的6R机械臂轨迹规划与控制系统研究

发布时间：2017-08-24 08:06

  本文关键词：基于FPGA的6R机械臂轨迹规划与控制系统研究

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【摘要】：现有工业机器人的控制系统主要由以PC+运动控制卡或专用控制器为核心的控制模块和驱动模块组成。作为控制器的一种,现场可编程门阵列FPGA因其在运行速度快、内部程序并行运行、能定制各种电路和现场可升级等方面的技术优势,广泛应用于各种控制系统中。论文以6R机械臂为研究对象,研究了基于FPGA的轨迹规划与控制系统问题。首先,利用D-H参数法对机械臂进行建模,得到了机械臂结构图和各连杆参数。通过建立机械臂的运动学方程,对机械臂进行了正运动学分析,并重点研究了利用传统代数法和倍四元数法求解运动学的逆解问题,以及在最短行程原则下求得了逆解的最优解。阐述了机械臂在关节空间中多项式插值和带抛物线过渡的线性插值的轨迹规划以及在直角坐标空间中的直线和曲线轨迹规划。其次,对机械臂的控制系统方案进行了设计,确定了系统硬件所采用的主控制芯片及其配置芯片,并设计了系统电路。考虑到控制方便,降低成本等因素,系统选择采用步进电机开环驱动系统,为了提高控制效果,选用带自锁抱闸的步进电机,其驱动采用以东芝TB6560为核心的驱动器。分析了系统软件的各模块功能,并考虑到FPGA中软核处理器的优势,构建了基于NiosⅡ软核的SOPC系统,以求解运动学逆解问题。通过轨迹规划模块完成了控制系统所采用的带抛物线过渡的线性插值轨迹规划,利用SDRAM控制模块将轨迹规划过程中产生的关节角速度离散值传送至FPGA外部存储芯片,而PWM脉冲驱动模块则利用关节角速度实现了梯形曲线算法,用以控制步进电机得到预期的轨迹。最后,利用Matlab仿真平台中的机器人工具箱Robotics Toolbox对机械臂进行了建模,通过调用工具箱中的函数求解了运动学正逆解问题,并使用脚本语言实现了传统代数法求解运动学的逆解问题。结合脚本语言和工具箱的优势对机械臂在关节空间和直角坐标空间的轨迹规划问题进行了仿真验证,并通过Modelsim仿真工具对带抛物线过渡的线性插值轨迹规划进行仿真实现。
【关键词】：6R机械臂 FPGA 运动学 轨迹规划 Matlab仿真
【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
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 引言8-15
• 1.1 工业机器人的研究背景及意义8-10
• 1.1.1 工业机器人的研究背景8-9
• 1.1.2 工业机器人的研究意义9-10
• 1.2 工业机器人关键技术研究现状10-12
• 1.2.1 工业机器人逆运动学研究现状10
• 1.2.2 工业机器人轨迹规划研究现状10-11
• 1.2.3 工业机器人控制系统研究现状11-12
• 1.2.4 工业机器人仿真技术研究现状12
• 1.3 FPGA与Verilog HDL语言介绍12-13
• 1.4 主要研究内容13-14
• 1.5 本章小结14-15
• 第2章 6R机械臂运动学分析15-32
• 2.1 机械臂运动学分析概述15
• 2.2 刚体的空间位姿描述与齐次坐标变换15-19
• 2.2.1 刚体的空间位姿描述15-16
• 2.2.2 齐次坐标变换16-19
• 2.3 D-H参数法建模与机械臂运动学分析19-25
• 2.3.1 连杆的D-H参数法建模19-21
• 2.3.2 机械臂正运动学分析21-23
• 2.3.3 机械臂逆运动学分析23-25
• 2.4 基于倍四元数法的运动学建模与逆运动学分析25-30
• 2.4.1 四元数和倍四元数25-28
• 2.4.2 基于倍四元数的逆运动学求解28-30
• 2.5 最优解30-31
• 2.6 本章小结31-32
• 第3章 机械臂轨迹规划32-48
• 3.1 关节空间轨迹规划32-43
• 3.1.1 多项式插值33-41
• 3.1.2 带抛物线过渡的线性插值41-43
• 3.2 直角坐标空间轨迹规划43-47
• 3.2.1 直线轨迹规划44-45
• 3.2.2 圆弧轨迹规划45-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第4章 机械臂控制系统设计48-64
• 4.1 机械臂控制系统方案设计48-49
• 4.2 机械臂控制系统硬件设计49-55
• 4.2.1 FPGA基本电路设计49-52
• 4.2.2 电机选型与驱动设计52-55
• 4.3 机械臂控制系统软件设计55-63
• 4.3.1 基于Nios Ⅱ软核的SOPC系统设计55-58
• 4.3.2 串口通信模块58-59
• 4.3.3 SDRAM控制模块59-61
• 4.3.4 轨迹规划模块61-62
• 4.3.5 PWM脉冲驱动模块62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 第5章 6R机械臂仿真及实现64-74
• 5.1 6R机械臂建模64-65
• 5.2 6R机械臂运动学仿真65-68
• 5.2.1 6R机械臂正运动学仿真65-67
• 5.2.2 6R机械臂逆运动学仿真67-68
• 5.3 6R机械臂轨迹规划仿真68-72
• 5.3.1 6R机械臂关节空间轨迹规划仿真68-71
• 5.3.2 6R机械臂直角坐标空间轨迹规划仿真71-72
• 5.4 FPGA环境下关节空间轨迹规划实现72-73
• 5.5 本章小结73-74
• 第6章 总结和展望74-76
• 6.1 全文总结74
• 6.2 展望74-76
• 参考文献76-79
• 致谢79-80
• 附录80

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