基于FPGA的六自由度機(jī)器人機(jī)械手臂的插補(bǔ)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著2015年3月《中國制造2025》計(jì)劃的提出和推進(jìn)，“中國制造”不再是以前意義上的低成本生產(chǎn)和代加工，而是以“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”為基本方針，逐步實(shí)現(xiàn)中國制造綜合實(shí)力進(jìn)入世界強(qiáng)國前列。在世界工業(yè)4.0(德國提出，也被稱為第四次工業(yè)革命的高科技計(jì)劃)大環(huán)境下，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中也得到廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)中對工業(yè)機(jī)器人的功能和性能的要求越來越精細(xì)，對機(jī)械手臂插補(bǔ)控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)也具有更加重要的意義。基于

2、單片機(jī)、ARM等插補(bǔ)控制器受制于算法的運(yùn)算速度和實(shí)時(shí)的插補(bǔ)速度，且并行處理能力差。因此，采用FPGA(Field Programmable Gate Array)作為主控芯片的方案更適合應(yīng)用在電機(jī)控制領(lǐng)域。
　　本文結(jié)合國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，以六自由度機(jī)械手臂的軌跡插補(bǔ)控制方法為研究對象，完成了機(jī)械臂插補(bǔ)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。全文分析了六自由度機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)和控制特點(diǎn)，以ABB公司的工業(yè)機(jī)器人IRB4400為例，通過對

3、其建立D-H模型，完成了機(jī)械手臂的運(yùn)動學(xué)分析，為機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了前提條件。本課題在深入研究機(jī)械手臂插補(bǔ)控制技術(shù)的現(xiàn)有插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)上，對直線、圓弧、Bezier曲線、B樣條曲線和NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)插補(bǔ)原理的優(yōu)缺點(diǎn)作了對比，進(jìn)而深入研究了NURBS插補(bǔ)算法。通過綜合考慮插補(bǔ)算法在實(shí)現(xiàn)過程中的實(shí)時(shí)處理、誤差約束和速度規(guī)劃等因素，本課題借助 QuartusII13.0開發(fā)環(huán)境在

4、Altera公司的FPGA EP4CE22E22C8中完成了NURBS曲線插補(bǔ)控制器的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)軟件方面，本課題采用Verilog HDL描述語言，根據(jù)EDA自頂向下的設(shè)計(jì)方法，完成了基于S型速度自適應(yīng)控制的NURBS曲線插補(bǔ)控制器的設(shè)計(jì)；采用C++語言完成上位機(jī)用戶控制界面的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件方面，本課題利用Altium Designer軟件完成插補(bǔ)控制器硬件平臺的設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上完成了硬件電路的焊接和調(diào)試。
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