38100字硕士毕业论文基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的六自由度工业机器人运动控制器的研究与开发
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：38100字
论点：运动,机器人,关节
论文概述：
本课题是所设计的运动控制器针对的是六自由度工业机器人，需要控制六轴联动。为了保证实时性和精度，采用DSP和FPGA作为运动控制器的核心部件，也使得运动控制器更加开放，便于二次开发
论文正文：
介绍
1.1选题的背景和意义
工业机器人是一种开链型空互连结构，通过几个关节连接各种环节。它主要针对工业生产领域，具有可编程性，可以通过不同的程序控制完成各种不同的任务。它主要用于危险、重复和恶劣的工作环境，解放了大量劳动力。这表明工业机器人技术附加值高，应用范围广。作为先进制造业的支撑技术和信息社会的新兴产业，它将在未来社会的发展中发挥重要作用。因此，研究工业机器人技术对提高一个国家的自动化水平具有重要意义。世界各国也在制定发展战略，抢占工业机器人研究和产业化的制高点。在工业机器人的研究史上，许多技术领域(1)已经逐渐产生和完善。首先，其中一个主要领域是工业机器人的运动学。这是因为基于生产参数的运动学模型不精确，这使得通过运动学理论定位末端执行器非常重要。迄今为止，运动学理论的发展经历了四个阶段。第一阶段是数学建模，其中D-H (Denavit- Hartenberg)建模和POE(指数积)方程起主导作用。第二阶段采用传感器直接测量，找出理论模型与实际模型的差异。第三阶段是基于机器人末端执行器通过？采用一些优化方法计算机器人各关节轴的关节角，这也是工业机器人逆运动学的起源。第四阶段是将改进的运动学模型应用于机器人，主要是在特别复杂的机器人结构中，并且在大多数情况下使用迭代算法。到目前为止，机器人运动学的研究仍然是一门开放的学科，人们也在试图提出一种运动学算法来降低[31[41的计算复杂度。另一个重要的研究领域是运动轨迹规划，其目的是通过路径规划算法计算工业机器人末端执行器的所有任务轨迹。目前，文献中主要有两种算法，即隐式算法和显式算法。隐式算法描述了机器人所需的动态行为。一种计算复杂度低的隐式算法是势保持算法(Propose hold Algorithm)，但其缺点是势场的局部最小函数使实际运动轨迹偏离。显式算法需要相对大量的插值点计算来计算末端执行器的起点和终点之间的运动轨迹，但是其精度可以由所使用的插值算法来确定。这一目的被广泛应用，也是本文所使用的轨迹规划算法。
1.2本主题的主要内容
本主题是为需要控制六轴联动的六自由度工业机器人设计的。为了保证实时性和准确性，运动控制器采用了数字信号处理器和现场可编程门阵列作为核心部件，使得运动控制器更加开放，便于二次开发。本课题的主要工作如下:
(1)设计运动控制器的整体系统架构。利用轨迹规划算法分别计算直线运动和圆弧运动的插值点，并预先存储在数字信号处理器中。PC机向数字信号处理器发送一个运动选择命令，在数字信号处理器中选择一个运动的插值点。然而，每个关节轴的实际位置是通过对增量编码器的输出进行编码和解码，由现场可编程逻辑器件(FPGA)获得并发送给数字信号处理器(DSP)，数字信号处理器(DSP)计算理论插值点位置与实际位置之间的误差，根据该误差计算出下一个插值周期关节轴转速对应的代码值，并将其发送给现场可编程逻辑器件(FPGA)，实时控制每个关节轴的速度和位置。
(2)设计运动控制器的硬件电路，包括控制器的电源电路、上位机与运动控制器之间的通信电路、数字信号处理器与现场可编程门阵列之间的通信电路以及伺服控制电路，并完成硬件的电路板制作和调试。
(3)设计运动控制器的软件系统，包括计算存储在数字信号处理器中的直线和圆周运动插值点、数字信号处理器中的静态随机存储器测试、基于现场可编程门阵列的双端口随机存储器通信、增量编码器解码、限位和紧急停止控制以及脉宽调制输出控制。
(4)利用MATLAB仿真直线运动和圆周运动的运动轨迹规划算法，分别绘制末端执行器的运动轨迹和六个关节轴的位置和速度曲线。对一个六自由度工业机器人进行了实验调试，并将实验结果与仿真结果进行比较，证明所设计的运动控制器能够实现预期的功能。
2工业机器人运动学理论分析及插补算法研究
直角坐标系是描述物体间平移和旋转关系最常用的坐标系。然而，在分析工业机器人的运动时，直角坐标系的使用会给计算和分析带来很大的不便，这需要另一个坐标系，即D-H坐标系。工业机器人可以被视为由一系列通过关节连接的刚体(连杆)构成的运动链。机器人的每个连杆机构中分别固定有多个笛卡尔坐标系，用齐次变换矩阵描述坐标系之间的相对位置和姿态。工业机器人的运动方程是分析其位移和姿态的基本方程。工业机器人是一种开环连杆机构。改变每个连杆的相对位置、相对速度和相对加速度可以使末端执行器达到不同的空姿态，获得不同的速度和加速度，然后完成所需的工作要求。首先，笛卡尔坐标系固定在每个关节上，然后，确定从一个关节到下一个关节的变换步骤，即从一个坐标系到下一个坐标系的姿态变换[25]。本节基于典型的PUMA560工业机器人模型进行分析。所有接头都是旋转接头，连杆参数如图2.2所示。工业机器人的运动学主要有正反解。如图2.3所示是著名的PUMA560工业机器人的结构图，它是一个六自由度关节机器人。为了更生动地描述它的结构，人体结构可以类比。第一个关节(J1)被类比为腰椎关节，第二个关节(J2)被类比为肩关节，第三个关节(JBOY3乐队)被类比为时间关节，最后三个关节(J4、J5、J6)被类比为腕关节。手腕位置由前3个关节决定，而它的方向由后3个关节决定。还要注意，PUMA560像许多其他工业机器人一样，具有相互垂直的关节4、5和6。下面以PUMA560为模型，对其运动学进行分析。
3运动控制器硬件系统设计.........26-44
3.1运动控制器需求分析.........基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的26-27
3.2运动控制器架构.........27-28
3.3运动控制器电源设计.........28-33 [/BR/] 3.4运动控制器模块之间的通信.........33-34
3 . 4 . 1pc机与数字信号处理器之间的通信.........33-34[/比尔/] 3.4.2数字信号处理器与现场可编程门阵列之间的通信.........34 [/BR/] 3.5伺服模块和控制电路设计.........34-44 [/BR/] 3.5.1伺服模块简介.........34-35
3.5.2光耦合器模块.........35-36
3.5.3差分信号转换模块.........36-37
3.5.4模拟输出模块.........37-44
4运动控制器软件系统设计.........44-60
4.1运动控制器软件总体设计.........44-45[/ br/] 4.2数字信号处理器软件模块设计.........45-46
4.2.1数字信号处理器控制算法.........45 [/溴/] 4.2.2数字信号处理器中的静态随机存储器模块.........45-46
4.3现场可编程门阵列软件模块设计.........46-60
5工业机器人轨迹规划仿真与实验.........60-69
5.1直线运动轨迹规划的仿真与实验.........61-64
5.2圆弧运动轨迹规划的仿真与实验.........64-69
结论
本文的创新点如下:
(1)综合分析了几种嵌入式解决方案的优缺点及其在摄像机图像采集和处理中的应用。通过对两种研究价值组合——现场可编程门阵列(FPGA)和达芬奇(DaVinci)的分析，设计了两套不同特性的嵌入式高清工业相机。
(2)现场可编程门阵列方案使用单个现场可编程门阵列芯片构建完整的片上高清图像采集和处理系统。嵌入式硬件实时图像预处理模块，自行设计了一个适合高清图像采集和显示的IP核。该设计充分利用了现场可编程门阵列并行流水线处理的特点和软硬件协同设计的特点。
(3)DM365方案，利用达芬奇强大的视频图像处理技术，实现本地VGA和以太网双通道高清视频输出，并自行设计系统的各个硬件电路板，完成支持SD卡、USB2.0、VGA和以太网的集成摄像头的硬件设计。在系统开发过程中，由于个人设计和开发周期的水平有限，在设计中也发现了一些需要改进和讨论的地方。下面将讨论在后续设计工作中需要改进或进一步深化的一些内容。
参考
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