基于fpga的6r机械臂轨迹规划与控制系统研究

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1、分类号TP242.2密级公开UDC621学校代码10500硕士学位论文（全日制学术学位）题目：基于FPGA的6R机械臂轨迹规划与控制系统研究英文题目：Researchon6RManipulatorTrajectoryPlanningandControlSystemBasedonFPGA学位申请人姓名：徐波申请学位学科专业：机械电子工程指导教师姓名：张道德二○一六年六月分类号TP242.2密级公开UDC621学校代码10500硕士学位论文题目基于FPGA的6R机械臂轨迹规划与控制系统研究英文题目Researchon6RManipulatorTrajectoryPlanningandControl

2、SystemBasedonFPGA研究生姓名（签名）指导教师姓名（签名）职称教授申请学位学科名称机械电子工程学科代码080202论文答辩日期2016.5.23学位授予日期学院负责人（签名）评阅人姓名石端伟评阅人姓名李刚炎年月日学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了

3、解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要现有工业机器人的控制系统主要由以PC+运动控制卡或专用控制器为核心的控制模块和驱动模块组成。作为控制器的一种，现场可编程门阵列FPGA因其在运行速度快、内部程序并行运行、能定制各种电路和现场可升级等方面的技术优势，广泛应用于各种控制系统中。论文以6R机械臂为研究对象，研究了基于FPGA

4、的轨迹规划与控制系统问题。首先，利用D-H参数法对机械臂进行建模，得到了机械臂结构图和各连杆参数。通过建立机械臂的运动学方程，对机械臂进行了正运动学分析，并重点研究了利用传统代数法和倍四元数法求解运动学的逆解问题，以及在最短行程原则下求得了逆解的最优解。阐述了机械臂在关节空间中多项式插值和带抛物线过渡的线性插值的轨迹规划以及在直角坐标空间中的直线和曲线轨迹规划。其次，对机械臂的控制系统方案进行了设计，确定了系统硬件所采用的主控制芯片及其配置芯片，并设计了系统电路。考虑到控制方便，降低成本等因素，系统选择采用步进电机开环驱动系统，为了提高控制效果，选用带自锁抱闸的步进电机，其驱动采用以东芝TB6

5、560为核心的驱动器。分析了系统软件的各模块功能，并考虑到FPGA中软核处理器的优势，构建了基于NiosⅡ软核的SOPC系统，以求解运动学逆解问题。通过轨迹规划模块完成了控制系统所采用的带抛物线过渡的线性插值轨迹规划，利用SDRAM控制模块将轨迹规划过程中产生的关节角速度离散值传送至FPGA外部存储芯片，而PWM脉冲驱动模块则利用关节角速度实现了梯形曲线算法，用以控制步进电机得到预期的轨迹。最后，利用Matlab仿真平台中的机器人工具箱RoboticsToolbox对机械臂进行了建模，通过调用工具箱中的函数求解了运动学正逆解问题，并使用脚本语言实现了传统代数法求解运动学的逆解问题。结合脚本语言

6、和工具箱的优势对机械臂在关节空间和直角坐标空间的轨迹规划问题进行了仿真验证，并通过Modelsim仿真工具对带抛物线过渡的线性插值轨迹规划进行仿真实现。关键词：6R机械臂，FPGA，运动学，轨迹规划，Matlab仿真IAbstractTheexistingindustrialrobotcontrolsystemismainlycomposedofcontrolmoduleanddrivingmodulewhichtakePC+motioncontrolcardordedicatedcontrollerasthecore.Asacontroller,thefieldprogrammablegat

7、earrayFPGAiswidelyusedinvariouskindsofcontrolsystembecauseofitstechnologyadvantagesofrunningspeed,internalprogramparallelrunning,customizingvariouskindsofcircuitandfieldupgraded.Theresearchobjectis6Rm