毕业论文--基于FPGA的串联机器人控制系统设计

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1、基于FPGA的串联机器人控制系统设计（湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉）摘要:文章介绍了通过PROE设计了5自由度机械手硬件机械结构模型，构建了基于FPGA嵌入式处理器的NiosII的SOPC架构系统的软件平台，设计了fpga控制器与步进电机驱动模块，并且分析了机械臂运动学的正解，逆解问题，通过VC，MATLAB等工具实现了机械臂的最优解的选取，轨迹规划的仿真，以及运用RoboticsToolbox工具箱进行了正逆运动学仿真，验证了算法可行性和求解的正确性。关键词：FPGA;NIOSII;MATLAB;机械臂中图分类号:TP39

2、1文献标识码:A文章编号：DesignofRobotControlSystemBasedonFPGAZHANGDao-de，YINYang，SONGChen-long（HubeiUniversityofTechnology，Wuhan430068,China）Abstract:ThispaperintroducesthedesignofthefivedegreesoffreedomthroughPROErobothardwaremechanicalstructuremodelwasconstructedbasedsoftwarep

3、latformFPGAembeddedprocessorNiosIIofSOPCsystemarchitecture,designfpgacontrollerandsteppermotordrivermodule,andanalysisofthemechanicalPositiveSolutionsarmkinematics,inverseproblembyVC,MATLABandothertoolstoachievetheoptimalsolutionselectedmanipulator,trajectoryplannings

4、imulation,andtheuseofRoboticsToolboxToolboxpositiveinversekinematicssimulationtoverifythealgorithmisfeasibleandsolvingthecorrectness.Keywords:FPGA;NIOSII;MATLAB;Manipulators引言机械臂的控制方式主要有3种方案，第一种是直接使用PC单独完成，以PC机作为硬件平台，使用VC软件来实现机械臂的算法控制，PC需要较高的硬件配置要求。第二种是PC机和运动控制卡的结合方案，

5、控制卡安装在PC机中，处理器完成部分控制算法，主要任务有运动控制卡完成，控制系统比较稳定。第三中是机器人控制模块与PC机的结合，模块化具有高效，可移植性好，但价格昂贵。本文提出的控制方式是通过FPGA作为硬件平台，在FPGA里完成算法控制，将控制结果输出到驱动模块实现机械臂的试试控制，由于FPGA具有高效，并行执行等特点对机器臂的控制具有很好的效果。1硬件结构模型的构建1.1机械臂模型建立5自由度机械臂的机械结构系统组成包括：机身、大臂、小臂、手腕和末端操作器（手抓）等5部分。机械臂机械结构模型如图1所示图1机械臂机械结构模型机械

6、臂一般由若干关节和连杆串联组成，一般采用D-H参数法来确定每个关节上的坐标姿态和相邻两个坐标系之间的相对平移距离和旋转角度。[6]机器人各关节坐标关系及机构简图如图2所示。在D-H参数由连杆长度a、连杆扭角、连杆距离和连杆转角构成。D-H参数表格如图3所示。图2机器人坐标关系表1.1机械臂D-H参数连杆a范围i=100-900~135i=20100-90~90i=309.50-90~90i=403.2-90-90~90i=514.500-90~901.2串联机械臂工作空间的分析和仿真机械臂的工作空间是机械臂的手腕中心或末端操作器所

7、能达到空间点位置和合集，它是一个最重要的指标用于衡量串联机械臂的工作能力。它的计算是复杂的，也是多样的，主要有解析法、图解法、数值法和仿真法，其中比较常用的方法是数值法中的蒙特卡洛法，和采用MATLAB中SimMechanics工具箱进行工作空间的分析计算，而采用仿真法实现起来更快捷，方便。利用机器人坐标关系图和D-H参数建立SimMechanics模型，设置各关节转动驱动,分别是角度、角速度、角加速度。[8]SimMechanics模型如图3所示,仿真结果如图4。图3SimMechanics模型图4机械臂工作空间三维图2系统方案

8、的设计2.1系统工作流程5自由度串联机械臂控制系统方案比较复杂，具体方案是数据采集模块采集到起始位姿和终止位姿后通过串口发送到FPGA内部，在FPGA内部实现运动学的逆解，解的最优化，然后进行轨迹规划发送到脉冲驱动模块驱动机械臂。工作流程图如图5所