基于FPGA的機(jī)械臂測(cè)控系統(tǒng)研究.pdf

1、機(jī)器人是一個(gè)多學(xué)科交叉的技術(shù)領(lǐng)域,主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、仿生學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、電子技術(shù)和自動(dòng)控制等學(xué)科。機(jī)器人技術(shù)對(duì)前沿學(xué)科中的智能控制算法、嵌入式技術(shù)和機(jī)器視覺(jué)等相關(guān)領(lǐng)域結(jié)合,是當(dāng)前世界科技發(fā)展中的熱門領(lǐng)域,是國(guó)家科技發(fā)展水平和綜合能力的體現(xiàn)。機(jī)械臂是機(jī)器人執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu),因此,研究機(jī)械臂具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此,本文設(shè)計(jì)出四自由度機(jī)械臂,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)以及軌跡規(guī)劃的研究。主要研究?jī)?nèi)容如下:

2、>　　(1)設(shè)計(jì)機(jī)械臂系統(tǒng)整體方案,采用鋁合金型材作為機(jī)械臂的連桿,選擇四自由度的結(jié)構(gòu),在測(cè)量出各連桿質(zhì)量的基礎(chǔ)上,估算出機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)處的力矩。在電機(jī)的選擇上,機(jī)械臂的底座選用了力矩更大的步進(jìn)電機(jī),其它關(guān)節(jié)包括末端抓取機(jī)構(gòu),選擇舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。用FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)作為控制器完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制,同時(shí)設(shè)計(jì)機(jī)械臂的位置測(cè)量系統(tǒng),采用QuartusⅡ和Mo

3、delsim進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
　　(2)討論機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),包括機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置姿態(tài)的描述、空間坐標(biāo)變換和齊次變換,建立機(jī)器人連桿坐標(biāo)系。并在此基礎(chǔ)之上,采用D-H(Denavit-Hartenberg)法來(lái)描述相鄰連桿之間的坐標(biāo)方向和參數(shù),建立了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。根據(jù)機(jī)械臂的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析和求解,同時(shí)對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。
　　(3)分別在關(guān)節(jié)空間和笛卡爾空間中分析了機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃方法

4、,采用三次多項(xiàng)式在關(guān)節(jié)空間中進(jìn)行軌跡規(guī)劃,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軌跡規(guī)劃模塊,提出一種基于 ROM的多通道PWM調(diào)速策略,通過(guò)QuartusⅡ和Modelsim仿真驗(yàn)證,表明此種方法能很好的完成控制多個(gè)電機(jī)的功能。插補(bǔ)操作的穩(wěn)定性和算法優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)行的好壞,因此對(duì)插補(bǔ)算法是機(jī)器人研究工作中的一個(gè)不可回避的問(wèn)題。本文在笛卡兒空間軌跡規(guī)劃時(shí),分別采用空間直線和空間圓弧插補(bǔ)算法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃,詳細(xì)地介紹這兩種軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)算法,并通