基于FPGA的5自由度工业机械臂控制系统研究

• 作 者: 王强
• 出 处: 湖北工业大学
• 发表日期: 2012年01期
• 关键词: FPGA 工业机械臂 运动学 轨迹规划 Matlab仿真

机器人技术将嵌入式技术、智能控制算法和机器视觉等前沿热门学科和领域相结合，涉及多学科交叉，包括机构学、电子技术、传感技术、仿生学、运动学、动力学、计算机技术和自动控制理论等，是目前世界科学技术发展最为热门的领域之一，也标志着一个国家的综合科技水平和能力。因此，研究机器人技术具有十分重要的意义。论文首先介绍了串联工业机器人系统整体方案，包括机械臂的机械结构和系统软硬件平台等；然后重点分析了运动学的正解和逆解问题；此外对逆向运动学的多解和轨迹规划运动进行了讨论；最后实现了5自由度机械臂PWM脉冲控制，并采用Matlab公司的Simulink下的Robotics Toolbox和SimMechanics Toolbox对机械臂的工作空间、正逆运动学和轨迹规划等内容进行了仿真验证。论文以5自由度串联工业机械臂模型作为研究对象，在此基础上建立了机械臂的机构简图和坐标系，分析了D-H参数、正向运动学和逆向运动学方程并求解，为机械臂的轨迹规划运动提供了基础。机械臂系统中选用基于FPGA嵌入式处理器作为硬件平台，构建了NiosⅡ软核处理器的SOPC架构系统。论文中工业机械臂的运动学求逆解方法采用封闭代数求解，该方法具有计算速度快、效率高和便于实时控制等优点。文中研究了一种带抛物线过渡的线性插值轨迹规划的方法，可以减少舵机在起始点和终止点的函数不连续而产生的冲击现象，以增加舵机的使用寿命和运动平稳性。在机械臂的关节空间中进行关节轨迹的运动规划计算简单和省时，并且不会发生机构的奇异现象。最后，为了说明该机械臂的运动空间和运动学仿真等问题，将机械臂的三维空间图用Matlab进行仿真显示，验证了理论求解的可行性和算法的正确性。