基于FPGA的機械臂測控系統(tǒng)研究.pdf

1、機器人是一個多學科交叉的技術領域,主要包括計算機技術、仿生學、機構學、運動學、動力學、電子技術和自動控制等學科。機器人技術對前沿學科中的智能控制算法、嵌入式技術和機器視覺等相關領域結合,是當前世界科技發(fā)展中的熱門領域,是國家科技發(fā)展水平和綜合能力的體現(xiàn)。機械臂是機器人執(zhí)行作業(yè)任務時的關鍵機構,因此,研究機械臂具有重要的現(xiàn)實意義。鑒于此,本文設計出四自由度機械臂,在此基礎上進行了相關機器人運動學以及軌跡規(guī)劃的研究。主要研究內容如下:

2、>　　(1)設計機械臂系統(tǒng)整體方案,采用鋁合金型材作為機械臂的連桿,選擇四自由度的結構,在測量出各連桿質量的基礎上,估算出機械臂每個關節(jié)處的力矩。在電機的選擇上,機械臂的底座選用了力矩更大的步進電機,其它關節(jié)包括末端抓取機構,選擇舵機來實現(xiàn)機械臂的關節(jié)運動。用FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)作為控制器完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制,同時設計機械臂的位置測量系統(tǒng),采用QuartusⅡ和Mo

3、delsim進行仿真驗證。
　　(2)討論機械臂運動學的數(shù)學基礎,包括機械臂關節(jié)位置姿態(tài)的描述、空間坐標變換和齊次變換,建立機器人連桿坐標系。并在此基礎之上,采用D-H(Denavit-Hartenberg)法來描述相鄰連桿之間的坐標方向和參數(shù),建立了機械臂運動學方程。根據(jù)機械臂的實際結構參數(shù),對機械臂的正運動學進行了分析和求解,同時對逆運動學進行簡單的分析。
　　(3)分別在關節(jié)空間和笛卡爾空間中分析了機械臂的軌跡規(guī)劃方法

4、,采用三次多項式在關節(jié)空間中進行軌跡規(guī)劃,并在此基礎上設計軌跡規(guī)劃模塊,提出一種基于 ROM的多通道PWM調速策略,通過QuartusⅡ和Modelsim仿真驗證,表明此種方法能很好的完成控制多個電機的功能。插補操作的穩(wěn)定性和算法優(yōu)劣直接關系到機器人運行的好壞,因此對插補算法是機器人研究工作中的一個不可回避的問題。本文在笛卡兒空間軌跡規(guī)劃時,分別采用空間直線和空間圓弧插補算法對機械臂進行軌跡規(guī)劃,詳細地介紹這兩種軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)算法,并通