6-DOF串联机器人运动学算法研究及其控制系统实现

摘要

在当前智能互联制造的大背景下，工业机器人作为“制造业皇冠顶端的明珠”，已然成为先进制造技术装备行业的标杆。作为机器人的核心部件，运动控制器性能的优劣将直接影响机器人系统整体性能的发挥，并在一定程度上钳制其他关键部件的发展。为进一步提高机器人运动控制系统的性能，研究高性能运动控制算法以及设计高度集成、开放、稳定和实时的运动控制器一直是工业机器人运动控制领域研究的热点问题。
　　本文系统的研究了工业机器人运动学的相关算法，首先阐述了机器人运动学相关的数学理论知识，重点指出了刚体姿态描述的四种常用表示方法及其应用场合。其次，采用D-H建模方法构建了机器人的运动学模型，给出了相应的正运动学方程，并在此基础上进一步结合蒙特卡洛方法讨论了机器人工作空间及其边界的求解过程。然后，针对满足Pieper准则的机器人模型，在雅可比矩阵奇异性分析的基础上，采用封闭解法求解并优化运动学反解。同时对于不满足Pieper准则的情况，从回避机器人奇异位形的角度，提出了一种改进的阻尼最小二乘数值解法，使机器人在通过奇异位形时保持较好的反解精度和稳定性。接着在机器人运动学轨迹规划问题上，采用五次多项式插值来完成空间点位运动的轨迹规划，保证了关节位置、速度及加速度的连续性。通过空间矢量计算、坐标变换的方法完成了空间直线与圆弧的位置插值，同时采用四元数的方法构建空间平滑姿态以完成笛卡尔空间轨迹规划。此外，针对笛卡尔空间轨迹规划过程中遇到的奇异问题，从位置级运动学的角度，给出了一种快速回避奇异位形的混合规划方法，使机器人在误差较小的条件下回避奇异位形的影响，具有较强的实用性。
　　最后，在分析当前工业机器人运动控制系统架构的基础上，设计了基于FPGA芯片的硬件系统平台。采用SOPC软硬件协同开发技术构建了FPGA片上硬件系统，并在系统内嵌的Nios IP软核上完成对控制系统内部应用层软件的开发。同时将本文研究的相关机器人运动控制算法嵌入所设计的控制系统内部，通过仿真分析和实验验证，表明了本文机器人运动学算法的优越性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 工业机器人运动学相关算法的研究现状

1．2．1 工业机器人运动学的优化

1．2．2 工业机器人奇异回避轨迹规划技术

1．3 工业机器人运动控制器的发展状况

1．4 SOPC技术简介

1．5 主要研究内容及其章节安排

1．5．1 课题的提出

1．5．2 研究内容

1．5．3 章节结构体系

第二章 机器人运动学的数学基础

2．1 引言

2．2 数学符号定义

2．3 刚体的位姿描述

2．3．1 位置描述

2．3．2 姿态描述

2．3．3 位姿描述

2．4 坐标变换

2．4．1 平移坐标变换

2．4．2 旋转坐标变换

2．4．3 复合坐标变换

2．5 齐次坐标变换

2．6 本章小结

第三章 工业机器人运动学分析

3．1 引言

3．2 机器人的标准坐标系

3．3 6-DOF串联机器人本体的选型

3．4 机器人运动学模型的构建

3．4．1 SD-H方式建模

3．4．2 MD-H方式建模

3．4．3 构建机器人模型

3．5 机器人正运动学分析

3．6 机器人工作空间分析

3．6．1 工作空间概述

3．6．2 基于蒙特卡洛方法的工作空间分析

3．7 RX160L型机器人运动学反解

3．7．1 雅可比矩阵与奇异性分析

3．7．2 基于奇异分离的反变换法

3．7．3 改进的阻尼最小二乘法

3．8 本章小结

第四章 工业机器人的运动学规划

4．1 引言

4．2 关节空间轨迹规划

4．2．1 规划问题的描述

4．2．2 归一化求解

4．3 笛卡尔空间连续轨迹规划

4．3．1 空间直线位置规划

4．3．2 空间圆弧位置规划

4．3．3 基于四元数空间姿态规划

4．3．4 位置与姿态综合规划

4．4 空间避奇异混合轨迹规划

4．4．1 规划原理

4．4．2 混合规划流程

4．5 小结

第五章 工业机器人运动控制系统设计及其算法实现

5．1 引言

5．2 基于FPGA的工业机器人运动系统架构

5．3 工业机器人运动控制系统硬件平台设计

5．3．1 FPGA芯片的选型

5．3．2 最小系统电路设计

5．3．3 外围扩展模块电路设计

5．4 FPGA片上系统开发

5．4．1 SOPC系统硬件开发

5．4．2 运动控制算法的软件实现

5．5 工业机器人运动控制算法的验证

5．5．1 基于奇异分离的反解算法

5．5．2 改进的阻尼最小二乘法

5．5．3 避奇异混合规划算法

5．6 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 论文工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况