本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的六自由度機器人機械手臂的插補控制系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著2015年3月《中國制造2025》計劃的提出和推進(jìn),“中國制造”不再是以前意義上的低成本生產(chǎn)和代加工,而是以“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”為基本方針,逐步實現(xiàn)中國制造綜合實力進(jìn)入世界強國前列。在世界工業(yè)4.0(德國提出,也被稱為第四次工業(yè)革命的高科技計劃)大環(huán)境下,機器人在工業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)中對工業(yè)機器人的功能和性能的要求越來越精細(xì),對機械手臂插補控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)也具有更加重要的意義�；趩纹瑱C、ARM等插補控制器受制于算法的運算速度和實時的插補速度,且并行處理能力差。因此,采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作為主控芯片的方案更適合應(yīng)用在電機控制領(lǐng)域。本文結(jié)合國內(nèi)外工業(yè)機器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀,以六自由度機械手臂的軌跡插補控制方法為研究對象,完成了機械臂插補控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計。全文分析了六自由度機械手臂的結(jié)構(gòu)和控制特點,以ABB公司的工業(yè)機器人IRB4400為例,通過對其建立D-H模型,完成了機械手臂的運動學(xué)分析,為機械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計提供了前提條件。本課題在深入研究機械手臂插補控制技術(shù)的現(xiàn)有插補算法的基礎(chǔ)上,對直線、圓弧、Bezier曲線、B樣條曲線和NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)插補原理的優(yōu)缺點作了對比,進(jìn)而深入研究了NURBS插補算法。通過綜合考慮插補算法在實現(xiàn)過程中的實時處理、誤差約束和速度規(guī)劃等因素,本課題借助QuartusⅡ13.0開發(fā)環(huán)境在Altera公司的FPGA EP4CE22E22C8中完成了NURBS曲線插補控制器的設(shè)計。系統(tǒng)軟件方面,本課題采用Verilog HDL描述語言,根據(jù)EDA自頂向下的設(shè)計方法,完成了基于S型速度自適應(yīng)控制的NURBS曲線插補控制器的設(shè)計;采用C++語言完成上位機用戶控制界面的設(shè)計。系統(tǒng)硬件方面,本課題利用Altium Designer軟件完成插補控制器硬件平臺的設(shè)計,在此基礎(chǔ)上完成了硬件電路的焊接和調(diào)試。本文通過Modelsim仿真器中的功能和時序仿真,驗證分析了插補控制器的功能和性能。最終,通過設(shè)計的上位機界面、硬件插補控制器與機械手臂的聯(lián)機調(diào)試,完成了整個插補控制系統(tǒng)的設(shè)計。本文的系統(tǒng)根據(jù)時間采樣插補的過程,在PC端完成粗插補,利用FPGA硬件完成精插補,上、下位機之間通過USB總線方式實時傳送數(shù)據(jù)。測試結(jié)果表明,本文的控制系統(tǒng)具有良好的可靠性、通用性和可移植性。
【關(guān)鍵詞】：NURBS插補 工業(yè)機器人 六自由度機械手臂 FPGA
【學(xué)位授予單位】：蘭州交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 引言9
• 1.2 國內(nèi)外機械手臂的發(fā)展現(xiàn)狀9-10
• 1.3 機械手臂插補控制的研究現(xiàn)狀10-11
• 1.4 研究的目的及意義11-12
• 1.5 課題研究內(nèi)容與論文框架12-13
• 2 六自由度機械手臂的運動學(xué)分析13-21
• 2.1 工業(yè)機器人13-14
• 2.1.1 機械手臂的分類13
• 2.1.2 機械手臂的結(jié)構(gòu)13
• 2.1.3 機械手臂的奇異位形13-14
• 2.2 機械手臂控制器設(shè)計的原則14
• 2.3 六自由度機械手臂的運動學(xué)分析14-19
• 2.3.1 D-H法建立機械手臂的直角坐標(biāo)系14-17
• 2.3.2 運動學(xué)正解17-18
• 2.3.3 逆運動學(xué)分析18-19
• 2.4 機械手臂的奇異位形回避19-20
• 2.5 本章小結(jié)20-21
• 3 實時插補的NURBS曲線理論研究21-32
• 3.1 常用的機械手臂控制插補曲線21-22
• 3.2 NURBS曲線理論22-25
• 3.2.1 NURBS曲線的表示形式22-23
• 3.2.2 NURBS的參數(shù)性質(zhì)23-24
• 3.2.3 NURBS的計算方法24-25
• 3.3 插補方式的選取25-27
• 3.3.1 脈沖增量插補26
• 3.3.2 數(shù)據(jù)采樣插補26-27
• 3.4 NURBS插補預(yù)處理27-28
• 3.5 De-Boor算法的實時處理28
• 3.6 插補誤差約束28-29
• 3.7 自適應(yīng)插補控制及速度規(guī)劃29-30
• 3.8 算法的仿真驗證30-32
• 4 基于FPGA的插補控制器設(shè)計32-45
• 4.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)32-33
• 4.2 插補控制器的模塊設(shè)計33-40
• 4.2.1 USB2.0 驅(qū)動的設(shè)計33-35
• 4.2.2 單軸脈沖輸出模塊35-37
• 4.2.3 NURBS插補模塊37-40
• 4.2.4 速度控制模塊40
• 4.3 插補控制器的設(shè)計40-41
• 4.4 仿真與數(shù)據(jù)分析41-44
• 4.5 本章小結(jié)44-45
• 5 插補控制系統(tǒng)的設(shè)計45-52
• 5.1 人機交互界面45-46
• 5.2 硬件電路的設(shè)計46-48
• 5.2.1 硬件的整體功能46-47
• 5.2.2 FPGA及其外部接口47
• 5.2.3 通信電路47-48
• 5.3 硬件PCB設(shè)計48-51
• 5.3.1 原理圖的設(shè)計48-51
• 5.3.2 PCB多層板設(shè)計51
• 5.4 本章小結(jié)51-52
• 6 插補系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試52-56
• 6.1 模塊的連接調(diào)試52-53
• 6.2 系統(tǒng)的聯(lián)機調(diào)試53-56
• 結(jié)論與展望56-58
• 致謝58-59
• 參考文獻(xiàn)59-62
• 附錄A 附圖62-64
• 攻讀學(xué)位期間的研究成果64

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：437133