HIT/DLRII灵巧手单手指的驱动控制系统研究

摘要

机器人灵巧手的驱动与控制是机器人灵巧手研究的主要方向之一，它是提高其智能化水平和作业水平的重要因素。本文研究的HIT/DLRII灵巧手手指驱动与控制系统对HIT/DLRII灵巧手的整体性能的提高有着重要的意义。
　　本课题是在哈工大机器人研究所与德宇航中心联合研制的HIT/DLR灵巧手的基础上进行全面的改进，根据灵巧手对手指底层驱动控制系统提出的具体要求，设计了基于FPGA的HIT/DLRII灵巧手手指驱动控制系统。
　　本文首先总体介绍了HIT/DLRII灵巧手手指系统各个子系统的基本结构和功能，主要包括基于模块化设计的机械本体，采集手指位置、力矩信号的传感器系统以及基于FPGA和DSP的电气驱动系统。
　　在硬件电路方面，详细阐述了基关节单元的电气系统。设计了一种基于FPGA的直流无刷电机驱动电路。本着响应快，功耗低的原则，通过对简化模型的计算选取了合适的电路参数，并通过仿真和实验验证了该驱动电路的可行性。同时，根据数据传输量的不同要求，分别设计并实现了基关节单元与上位机之间、基关节单元与指节单元之间的数据通信系统。在传感器系统方面，位置传感器采用集成化的霍尔芯片，使电路更加简化和紧凑。
　　在FPGA的可编程控制功能的实现中，完成了基关节单元电机驱动控制系统SOPC模块化设计。采用Nios软核处理器为核心、结合其它功能模块,通过软核处理器完成软件控制算法,设计了结构简单灵活、高性能的直流无刷电机控制系统。
　　最后，完成了基关节位置闭环控制实验。采用PD位置控制算法实现了基关节位置控制器，并通过实验验证其轨迹跟踪性能。

目录

HIT/DLRII灵巧手单手指的驱动控制

RESEARCH OF DRIVE AND CONTROL ON SINGLE FINGER OF THE HIT/DLRII DEXTROUS HAND

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 国内外研究状况

1.3 课题意义和主要研究内容

1.3.1 课题意义

1.3.2 主要研究内容

第2章 HIT/DLRII灵巧手手指系统结构

2.1 引言

2.2 HIT/DLRII灵巧手手指的机械本体

2.3 传感器系统

2.3.1 基关节力矩传感器

2.3.2 基关节位置传感器

2.3.3 电机位置传感器

2.3.4 指尖六维力/力矩传感器

2.4 电气系统

2.5 小结

第3章 基关节单元的硬件电路设计

3.1 引言

3.2 基关节单元驱动控制系统

3.2.1 FPGA简介

3.2.2 外围电路

3.2.3 驱动电路方案设计

3.2.4 栅极驱动电路参数设计

3.3 数据通讯系统

3.3.1 手指与上位机的数据通讯

3.3.2 基关节与指节的数据通讯

3.4 传感器系统设计

3.4.1 力矩传感器系统设计

3.4.2 位置传感器系统设计

3.5 本章小结

第4章 基于Nios的SOPC系统设计

4.1 Altera SOPC介绍

4.1.1 嵌入式系统简介

4.1.2 基于Nios的嵌入式系统开发流程

4.2 SOPC系统硬件IP核设计

4.2.1 电机驱动程序

4.2.2 SPI接口模块

4.3 Nios软核处理器程序设计

4.3.1 主程序框架

4.3.2 数据采集与通信

4.3.3 电机控制模式

4.4 综合系统

4.5 本章小结

第5章 电机控制系统的测试及实验

5.1 引言

5.2 实验平台介绍

5.3 手指基关节的位置闭环控制

5.3.1 基关节转角与电机转角的传动比关系

5.3.2 手指关节位置控制器的设计及实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢