基于FPGA的5自由度工业机械臂控制系统研究

论文摘要

机器人技术将嵌入式技术、智能控制算法和机器视觉等前沿热门学科和领域相结合，涉及多学科交叉，包括机构学、电子技术、传感技术、仿生学、运动学、动力学、计算机技术和自动控制理论等，是目前世界科学技术发展最为热门的领域之一，也标志着一个国家的综合科技水平和能力。因此，研究机器人技术具有十分重要的意义。论文首先介绍了串联工业机器人系统整体方案，包括机械臂的机械结构和系统软硬件平台等；然后重点分析了运动学的正解和逆解问题；此外对逆向运动学的多解和轨迹规划运动进行了讨论；最后实现了5自由度机械臂PWM脉冲控制，并采用Matlab公司的Simulink下的Robotics Toolbox和SimMechanics Toolbox对机械臂的工作空间、正逆运动学和轨迹规划等内容进行了仿真验证。论文以5自由度串联工业机械臂模型作为研究对象，在此基础上建立了机械臂的机构简图和坐标系，分析了D-H参数、正向运动学和逆向运动学方程并求解，为机械臂的轨迹规划运动提供了基础。机械臂系统中选用基于FPGA嵌入式处理器作为硬件平台，构建了NiosⅡ软核处理器的SOPC架构系统。论文中工业机械臂的运动学求逆解方法采用封闭代数求解，该方法具有计算速度快、效率高和便于实时控制等优点。文中研究了一种带抛物线过渡的线性插值轨迹规划的方法，可以减少舵机在起始点和终止点的函数不连续而产生的冲击现象，以增加舵机的使用寿命和运动平稳性。在机械臂的关节空间中进行关节轨迹的运动规划计算简单和省时，并且不会发生机构的奇异现象。最后，为了说明该机械臂的运动空间和运动学仿真等问题，将机械臂的三维空间图用Matlab进行仿真显示，验证了理论求解的可行性和算法的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 工业机器人的历史背景
• 1.1.2 工业机器人的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 工业机器人的研究现状
• 1.2.2 工业机械臂控制系统方案的研究现状
• 1.2.3 工业机械臂运动学逆解中三角函数及反三角函数实现的研究现状
• 1.2.4 工业机械臂轨迹规划的研究现状
• 1.2.5 工业机械臂仿真技术的研究现状
• 1.3 研究内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 5 自由度机械臂系统设计
• 2.1 硬件系统设计
• 2.1.1 机械结构设计
• 2.1.2 驱动系统设计
• 2.1.3 控制系统设计
• 2.2 软件系统设计
• 2.2.1 Verilog HDL 语言
• 2.2.2 基于 NiosⅡ软核处理器的 SOPC 系统介绍
• 2.2.3 仿真软件介绍
• 2.3 FPGA 内部总体实现方案设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 运动学理论分析和方程求解
• 3.1 机械臂的运动学系统分析
• 3.1.1 位置与姿态的描述
• 3.1.2 关节坐标变换
• 3.2 正向运动学分析和求解
• 3.2.1 连杆坐标系与运动学方程的建立
• 3.2.2 正向运动学方程的求解
• 3.3 逆向运动学分析和求解
• 3.4 基于 SOPC 系统的运动学逆解模块实现
• 3.5 基于 CORDIC 算法的三角函数及反三角函数的 FPGA 实现
• 3.6 本章小结
• 第4章 轨迹规划算法研究
• 4.1 轨迹规划的概述
• 4.2 机械臂的关节空间轨迹规划
• 4.2.1 三次多项式插值函数描述
• 4.2.2 过路径点的 3 次多项式插值函数描述
• 4.2.3 用抛物线过渡的线性插值函数描述
• 4.3 基于 FPGA 的轨迹规划模块实现
• 4.3.1 基于 FPGA 的三次多项式插值轨迹函数实现
• 4.3.2 基于 FPGA 带抛物线过渡的三次多项式插值轨迹函数实现
• 4.4 轨迹最优算法
• 4.5 基于 FPGA 控制的舵机驱动设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 5R 串联机械臂 Matlab 仿真
• 5.1 5R 串联机械臂工作空间分析和仿真
• 5.2 5R 机械臂正向运动学仿真
• 5.3 5R 机械臂逆向运动学仿真
• 5.4 5R 机械臂轨迹规划仿真
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 硕士研究生期间发表的学术论文