本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的6R機械臂軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研究

  更多相關(guān)文章： 6R機械臂 FPGA 運動學 軌跡規(guī)劃 Matlab仿真

【摘要】：現(xiàn)有工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)主要由以PC+運動控制卡或?qū)Ｓ每刂破鳛楹诵牡目刂颇K和驅(qū)動模塊組成。作為控制器的一種,現(xiàn)場可編程門陣列FPGA因其在運行速度快、內(nèi)部程序并行運行、能定制各種電路和現(xiàn)場可升級等方面的技術(shù)優(yōu)勢,廣泛應用于各種控制系統(tǒng)中。論文以6R機械臂為研究對象,研究了基于FPGA的軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)問題。首先,利用D-H參數(shù)法對機械臂進行建模,得到了機械臂結(jié)構(gòu)圖和各連桿參數(shù)。通過建立機械臂的運動學方程,對機械臂進行了正運動學分析,并重點研究了利用傳統(tǒng)代數(shù)法和倍四元數(shù)法求解運動學的逆解問題,以及在最短行程原則下求得了逆解的最優(yōu)解。闡述了機械臂在關(guān)節(jié)空間中多項式插值和帶拋物線過渡的線性插值的軌跡規(guī)劃以及在直角坐標空間中的直線和曲線軌跡規(guī)劃。其次,對機械臂的控制系統(tǒng)方案進行了設(shè)計,確定了系統(tǒng)硬件所采用的主控制芯片及其配置芯片,并設(shè)計了系統(tǒng)電路�？紤]到控制方便,降低成本等因素,系統(tǒng)選擇采用步進電機開環(huán)驅(qū)動系統(tǒng),為了提高控制效果,選用帶自鎖抱閘的步進電機,其驅(qū)動采用以東芝TB6560為核心的驅(qū)動器。分析了系統(tǒng)軟件的各模塊功能,并考慮到FPGA中軟核處理器的優(yōu)勢,構(gòu)建了基于NiosⅡ軟核的SOPC系統(tǒng),以求解運動學逆解問題。通過軌跡規(guī)劃模塊完成了控制系統(tǒng)所采用的帶拋物線過渡的線性插值軌跡規(guī)劃,利用SDRAM控制模塊將軌跡規(guī)劃過程中產(chǎn)生的關(guān)節(jié)角速度離散值傳送至FPGA外部存儲芯片,而PWM脈沖驅(qū)動模塊則利用關(guān)節(jié)角速度實現(xiàn)了梯形曲線算法,用以控制步進電機得到預期的軌跡。最后,利用Matlab仿真平臺中的機器人工具箱Robotics Toolbox對機械臂進行了建模,通過調(diào)用工具箱中的函數(shù)求解了運動學正逆解問題,并使用腳本語言實現(xiàn)了傳統(tǒng)代數(shù)法求解運動學的逆解問題。結(jié)合腳本語言和工具箱的優(yōu)勢對機械臂在關(guān)節(jié)空間和直角坐標空間的軌跡規(guī)劃問題進行了仿真驗證,并通過Modelsim仿真工具對帶拋物線過渡的線性插值軌跡規(guī)劃進行仿真實現(xiàn)。
【關(guān)鍵詞】：6R機械臂 FPGA 運動學 軌跡規(guī)劃 Matlab仿真
【學位授予單位】：湖北工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第1章 引言8-15
• 1.1 工業(yè)機器人的研究背景及意義8-10
• 1.1.1 工業(yè)機器人的研究背景8-9
• 1.1.2 工業(yè)機器人的研究意義9-10
• 1.2 工業(yè)機器人關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀10-12
• 1.2.1 工業(yè)機器人逆運動學研究現(xiàn)狀10
• 1.2.2 工業(yè)機器人軌跡規(guī)劃研究現(xiàn)狀10-11
• 1.2.3 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11-12
• 1.2.4 工業(yè)機器人仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀12
• 1.3 FPGA與Verilog HDL語言介紹12-13
• 1.4 主要研究內(nèi)容13-14
• 1.5 本章小結(jié)14-15
• 第2章 6R機械臂運動學分析15-32
• 2.1 機械臂運動學分析概述15
• 2.2 剛體的空間位姿描述與齊次坐標變換15-19
• 2.2.1 剛體的空間位姿描述15-16
• 2.2.2 齊次坐標變換16-19
• 2.3 D-H參數(shù)法建模與機械臂運動學分析19-25
• 2.3.1 連桿的D-H參數(shù)法建模19-21
• 2.3.2 機械臂正運動學分析21-23
• 2.3.3 機械臂逆運動學分析23-25
• 2.4 基于倍四元數(shù)法的運動學建模與逆運動學分析25-30
• 2.4.1 四元數(shù)和倍四元數(shù)25-28
• 2.4.2 基于倍四元數(shù)的逆運動學求解28-30
• 2.5 最優(yōu)解30-31
• 2.6 本章小結(jié)31-32
• 第3章 機械臂軌跡規(guī)劃32-48
• 3.1 關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃32-43
• 3.1.1 多項式插值33-41
• 3.1.2 帶拋物線過渡的線性插值41-43
• 3.2 直角坐標空間軌跡規(guī)劃43-47
• 3.2.1 直線軌跡規(guī)劃44-45
• 3.2.2 圓弧軌跡規(guī)劃45-47
• 3.3 本章小結(jié)47-48
• 第4章 機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計48-64
• 4.1 機械臂控制系統(tǒng)方案設(shè)計48-49
• 4.2 機械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計49-55
• 4.2.1 FPGA基本電路設(shè)計49-52
• 4.2.2 電機選型與驅(qū)動設(shè)計52-55
• 4.3 機械臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計55-63
• 4.3.1 基于Nios Ⅱ軟核的SOPC系統(tǒng)設(shè)計55-58
• 4.3.2 串口通信模塊58-59
• 4.3.3 SDRAM控制模塊59-61
• 4.3.4 軌跡規(guī)劃模塊61-62
• 4.3.5 PWM脈沖驅(qū)動模塊62-63
• 4.4 本章小結(jié)63-64
• 第5章 6R機械臂仿真及實現(xiàn)64-74
• 5.1 6R機械臂建模64-65
• 5.2 6R機械臂運動學仿真65-68
• 5.2.1 6R機械臂正運動學仿真65-67
• 5.2.2 6R機械臂逆運動學仿真67-68
• 5.3 6R機械臂軌跡規(guī)劃仿真68-72
• 5.3.1 6R機械臂關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃仿真68-71
• 5.3.2 6R機械臂直角坐標空間軌跡規(guī)劃仿真71-72
• 5.4 FPGA環(huán)境下關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃實現(xiàn)72-73
• 5.5 本章小結(jié)73-74
• 第6章 總結(jié)和展望74-76
• 6.1 全文總結(jié)74
• 6.2 展望74-76
• 參考文獻76-79
• 致謝79-80
• 附錄80

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 陶其銘,柯尊忠;機器人軌跡規(guī)劃新方法的研究[J];機床與液壓;2003年04期

2 張立勛;董玉紅;路敦民;沈錦華;;合作機器人軌跡規(guī)劃及實驗研究[J];中國機械工程;2005年22期

3 潘雙夏;季炳偉;童永峰;;基于操縱平穩(wěn)性的液壓挖掘機軌跡規(guī)劃方法[J];浙江大學學報(工學版);2006年08期

4 胡貫朋;高雪官;馬培蓀;;一種類人型機器人踢球時腿部軌跡規(guī)劃實驗方案[J];實驗室研究與探索;2006年01期

5 穆海華;周云飛;嚴思杰;韓愛國;;超精密點對點運動三階軌跡規(guī)劃精度控制[J];機械工程學報;2008年01期

6 張立勛;李彥濤;高峻;劉富強;;助餐機器人軌跡規(guī)劃研究[J];系統(tǒng)仿真學報;2010年05期

7 譚崗慧子;陳勁杰;;三指仿人靈巧手軌跡規(guī)劃及仿真研究[J];機械研究與應用;2010年03期

8 鄒風山;曲道奎;徐方;;真空機器人軌跡規(guī)劃研究[J];組合機床與自動化加工技術(shù);2011年10期

9 徐鵬飛;羅慶生;韓寶玲;姚猛;;新型工業(yè)碼垛機器人軌跡規(guī)劃研究[J];組合機床與自動化加工技術(shù);2012年05期

10 周榮荻;王海;;多指靈巧手關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃研究[J];數(shù)字技術(shù)與應用;2012年07期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張國偉;李斌;鄭懷兵;龔海里;王聰;;乒乓球靈巧機械臂軌跡規(guī)劃[A];第九屆全國信息獲取與處理學術(shù)會議論文集Ⅰ[C];2011年

2 楊淮清;金蘭;;基于動作基元的行走軌跡規(guī)劃及其在原地轉(zhuǎn)向型機器人中的應用[A];2006中國控制與決策學術(shù)年會論文集[C];2006年

3 張濤;李則婷;陳善本;;移動焊接機器人軌跡規(guī)劃[A];第十六次全國焊接學術(shù)會議論文摘要集[C];2011年

4 郭為忠;韓波;鄒慧君;;混合輸入機構(gòu)的連續(xù)軌跡規(guī)劃研究[A];全國印刷、包裝機械凸輪、連桿機構(gòu)學術(shù)研討會（第6屆全國凸輪機構(gòu)學術(shù)年會）論文集[C];2005年

5 馮翼;李穎;趙新;劉景泰;;足球機器人運動軌跡規(guī)劃和避障算法的設(shè)計與實現(xiàn)[A];馬斯特杯2003年中國機器人大賽及研討會論文集[C];2003年

6 許瑛;渡徍克巳;許偉;;連桿曲線的等弧長分割法在機器人軌跡規(guī)劃中的應用[A];第十四屆全國機構(gòu)學學術(shù)研討會暨第二屆海峽兩岸機構(gòu)學學術(shù)交流會論文集[C];2004年

7 劉新建;李迅;張彭;;雙柔性桿機械手點位運動的關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃[A];1997中國控制與決策學術(shù)年會論文集[C];1997年

8 崔天時;陳天宏;;基于遺傳算法的采摘機器人軌跡規(guī)劃[A];黑龍江省農(nóng)業(yè)工程學會2011學術(shù)年會論文集[C];2011年

9 單恩忠;戴斌;宋金澤;孫振平;;受控動力學樣條插值方法研究[A];2009年中國智能自動化會議論文集（第一分冊）[C];2009年

10 荊懷靖;唐春英;任斐;王輝;;基于組合映射的網(wǎng)格曲面螺旋軌跡規(guī)劃[A];第二屆民用飛機制造技術(shù)及裝備高層論壇資料匯編（論文集）[C];2010年

中國重要報紙全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 譚論 哈恩晶;國外機器人“水土不服”國產(chǎn)機器人市場看好[N];中國工業(yè)報;2005年

2 黃柯;機器人產(chǎn)業(yè)躍過“臨界期” 企業(yè)摩拳擦掌[N];中國高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導報;2009年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前7條

1 胡海靜;行星著陸軌跡規(guī)劃與制導控制方法研究[D];北京理工大學;2016年

2 禹鑫q，

本文編號：730133