基于FPGA的5自由度工业机械臂控制系统研究

作     者：李远重 

作者单位：湖北工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张道德

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0835[工学-软件工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：机械臂 五自由度 逆解 机器人工具箱 轨迹规划 

摘      要：机器人科学研究是一个涉及到很多科研领域的综合研究门类，而机器人中一个很大的研究分支就是有关于机械臂的研究，它涉及到机械结构，测控技术应用，计算机应用，控制工程理论，智能控制，仿生学等多个学科，如此高度交叉的学科也正代表了现今机电一体化技术发展的趋势，即高度集成化，高度智能化。同时学科的发展也是一个先进制造大国向制造强国迈进的重要一步。 论文首先依据搭建的五自由度工业机械臂模型进行数学建模，然后对其正、逆运动学分析，着重介绍了运动学逆解，提出一种新的优化策略对多组逆解进行优化，并探讨了机械臂在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划问题，随后对基于FPGA的控制系统的硬件和软件部分分别进行详细介绍，最后在Robotics Toolbox和SimMechanics Toolbox中对运动学、操作空间等部分关键研究环节做了仿真和验证工作。 考虑到解析法在嵌入式处理器中容易实现，计算精度高，经过对各种逆运动学求解方法的比较，最终论文采用解析法详细分析了五自由度机械臂的运动学逆解，给出了具体运算过程。同时详细分析了工业机械臂的控制系统，针对具体控制要求，选用了嵌入式处理器平台FPGA作为下位机主控制器，完成控制系统的绝大多数控制任务，运动控制数据收发，处理，占空比可调的PWM发生等。 针对在常见的轨迹规划方案中的起始和终止阶段，关节运转速度不连续容易造成冲击的问题，特提出了一种有抛物线过渡的线性插值方法，将其用于关节空间轨迹规划，实验证明能有效增加机械臂运行的平稳性，并在上位机中通过Labview中嵌入Matlab脚本语言来实现了上述运算。同时介绍了在笛卡尔空间中定时插补方法和直线轨迹插补算法这两个重要的轨迹规划问题。 论文最后通过对各种仿真工具进行比较，选择使用Simulink中的SimMechanics以及将经过对机器人工具箱进行二次开发的函数后对文中的运动学和轨迹规划等内容进行了仿真，获得的仿真结果有效的验证了机器人理论和本文提出了算法。