基于DSP和FPGA的六自由度工业机器人运动控制器设计

摘要

工业机器人运动控制器，是工业机器人的大脑，也是衡量一个国家工业机器人发展水平的标志，其性能的优劣直接影响着工业机器人的精度和性能。目前国内的运动控制器，其精度和实时性较低，运动控制算法简单不利于开发，接口单一，几乎无法满足六自由度工业机器人复杂的运动控制。本课题设计了基于DSP和FPGA的六自由度工业机器人运动控制器，利用DSP强大的运算能力和FPGA强大的逻辑控制功能，保证了运动控制器的精度和实时性，并且可以实现复杂的运动控制算法，便于二次开发，因此在机器人运动控制领域有重要的价值。
　　本文基于工业机器人运动学理论以及运动轨迹规划算法，分析运动控制器的设计需求，提出了DSP和FPGA结合的系统架构。首先，设计运动控制器的硬件系统，包括电源模块、上位机与运动控制器的通信模块、DSP与FPGA的通信模块以及伺服控制电路模块，完成了硬件电路的制板与调试，搭建了一个性能稳定可靠的运动控制器硬件系统。接下来，在硬件系统的基础上，设计了运动控制器的软件系统，包括DSP中的控制算法、DSP的SRAM模块测试、基于FPGA的双端口RAM通信模块、增量式编码器解码模块、急停限位模块以及PWM输出模块。最后，利用MATLAB分别对直线运动和圆弧运动轨迹规划算法进行仿真，画出六自由度工业机器人末端执行器的运动轨迹和六个关节轴的位置、速度曲线，并在六自由度工业机器人实体上进行调试实验，将实验结果与仿真结果相比较，证明所设计的运动控制器能够实现预期功能。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 工业机器人运动控制器研究现状

1．2．1 工业机器人运动控制器的特点

1．2．2 常用运动控制器架构分析

1．2．3 国外工业机器人运动控制器的研究

1．2．4 国内工业机器人运动控制器的研究

1．3 本课题的主要内容

2 工业机器人运动学理论分析及插值算法研究

2．1 工业机器人笛卡尔空间描述

2．1．1 位置描述和姿态描述

2．1．2 D-H模型与连杆描述

2．2 基于PUMA560的运动学分析

2．2．1 PUMA560运动学正解

2．2．2 PUMA560运动学逆解

2．3 插值算法研究

3 运动控制器硬件系统设计

3．1 运动控制器需求分析

3．2 基于DSP和FPGA的运动控制器架构

3．3 运动控制器电源部分设计

3．4 运动控制器各模块之间的通信

3．4．1 PC与DSP机之间的通信

3．4．2 DSP与FPGA之间的通信

3．5 伺服模块与控制电路设计

3．5．1 伺服模块介绍

3．5．2 光耦模块

3．5．3 差分信号转换模块

3．5．4 模拟量输出模块

4 运动控制器软件系统设计

4．1 运动控制器软件总体设计与研究

4．2 DSP各软件模块设计

4．2．1 DSP中的控制算法

4．2．2 DSP中的SRAM模块

4．3 FPGA各软件模块设计

4．3．1 增量式编码器模块

4．3．2 双端口RAM通信模块

4．3．3 限位急停模块

4．3．4 PWM输出模块

5 工业机器人轨迹规划仿真与实验

5．1 直线运动轨迹规划仿真与实验

5．2 圆弧运动轨迹规划仿真与实验

结论

参考文献

致谢