基于fpga的六自由度智能移动机器人设计毕业论文(编辑修改稿)

基于fpga的六自由度智能移动机器人设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

、气压、电器、机械气液联合和电液联合等方式。 目前采用的主要是前三种。 据资料统计，液压占 55%，气压占 40%，电器占 1%。 液压驱动 液压驱动的特点有 : 1)驱动力和驱动力矩较大，臂力可达 100 公斤。 2)速度反应性较好。 因为被驱动件的速度快慢取决于油液的容积变化，所以当不考虑油液的温度变化时，被驱动系统的滞后也几乎没有，而且液压机构的适量轻、惯性小，因此它的速度反应性较好。 3)调速范围较大，而且可以无级调速，易于适应不同的工作要求 : 4)传动平稳，能吸收冲击力，可以实现较频繁而平稳的换向。 5)在产生相同驱动力的条件下，液压驱动比其他驱动方式体积小、重量轻、惯性小。 6)定位精度比气动高，但比电机低。 7)液压系统的泄漏对机构的工作稳定性有一定的影响。 8)油液中如果混入气体，将降低传动机构的刚性，影响定位精度 (产生爬行 )。 9)油液的温度和粘度变化影响传动性能。 液压驱动机械手多用于要求臂力较大而运动速 度较低的工作场合。 气压驱动 气动驱动的特点有 : 1)通过调节气流，就可实现无级变速。 2)由于压缩空气粘性小，流速大，因此气压驱动的机械手动作速度快。 3)压缩空气可从大气中吸取，故动力源获得方便、价格低廉，而且废气处理方便。 4)由于压缩空气粘度小，因此在管路中的压力损失也很小，一般其阻力损失不到油液在油路中损失的千分之一。 故压缩空气可以集中供应，远距离输送。 5)压缩空气的压缩性较大，因此使机械手的运动平稳性较差，定位精度较低，而且压缩空气排到大气中时噪声较大，另外还须考虑润滑和防锈等。 6)耐压缩空气的工作压力较低，致使机械手结构较大。 因此，气压驱 动的机械手，常用于臂力小于 30 公斤、运动速度较快以及高温、低温、高粉尘等工作条件较恶劣的场合。 电机驱动 电机驱动系统按电机的功能可分为直流电机驱动系统、交流异步电机驱动系统、无刷直流电机驱动系统、开关磁阻电机驱动系统和多态电机驱动系统等。 各种电机系统的工作原理有很大的区别，性能上也存在着较大的差异。 电机驱动机械手可避免电能变为压力能的中间环节，电机系统将电动机、测速机、编码器、减速器及制动器组装在一次加工的壳体中，使得整个电机系统体积小，可靠性和通用性高。 另外，电动机根据运行距离及电机的脉冲当量 算出脉冲数，将数据输入计算机，可达到非常高的位姿准确度，这些都是电机驱动的优点。 气动机械手与其他驱动方式的机械手相比，价格低廉，结构简单，功率体积比较高，动作速度快，远距离输送，适合抓取质量较小的工件而且有抗干扰无污染等优点。 综上，本设计选取气压驱动系统。 表 11 给出了各种驱动方式的各方面比较。 表 1 各种驱动方式的比较 现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个部分组成。 采集感知信号及控制信号均由智能阀岛来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机步进马达或液压伺服系统。 气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作。 主机部分采用了标准型材并辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。 代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发展与实用性。 执行系统 机器人主臂机构设计主要包括机械本体、伺服电机、减速器等机构的设计，为了实现机械传动机构简单、体积小、结构紧凑 ，减速比大（ 100:1）等要求，整个机器人的结构大致分成腰部关节、肩部关节、肘部关节、大臂与小臂。 各关节之间均采用转动关节，采用伺服电机驱动，以实现精密控制。 为实现大传动比，采用谐波减速器传动，不仅实现大的传动比，而且是结构更紧凑。 查找fanuc robot M6iB 机器人相关资料，获得以下设计资料和参数： 图 4 工业机器人结构图 谐波减速器简介 谐波齿轮减速器是利用行星齿轮传动原理发展起来的一种新型减速器。 谐波齿轮传动（简称谐波传动），它是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动 的一种行星齿轮传动。 主要包括刚轮、柔轮、和波发生器组成。 由于波发生器的连续转动，迫使柔轮上的一点不断的改变位置，这时在柔轮的节圆的任一点，随着波发生器角位移的过程，形成一个上下左右相对称的和谐波，故称之为：“谐波”。 图 5 谐波减速器实体图 谐波减速器基本结构 谐波减速器主要由三个基本构件组成： （ 1）带有内齿圈的刚性齿轮（刚轮），带有齿轮的刚性齿环，通常与柔轮相差 2 齿，它相当于行星系中的中心轮； （ 2）带有外齿圈的柔性齿轮（柔轮），他是一个孔径略小于波发生器长轴的薄壁柔性齿轮，在波发生器的作用下，可以产生弹性变形，它相当于行星齿轮； （ 3）波发生器 H，具有长短轴通常它的转动迫使柔轮按一定的变形规律产生弹性变形，它相当于行星架。 作为减速器使用，通常采用波发生器主动、刚轮固定、柔轮输出形式。 谐波减速器内部结构示意图见图 6. 图 6 谐波减速器内部结构图 谐波减速器工作原理 当波发生器为主动时，凸轮在柔轮内转动，就使柔轮及薄壁轴承发生变形（可控的弹性变形），这时柔轮的齿就在变形的 过程中进入（啮合）或退出（啮离）刚轮的齿间，在波发生器的长轴处处于完全啮合，而短轴方向的齿就处在完全的脱开。 波发生器通常成椭圆形的凸轮，将凸轮装入薄壁轴承内，再将它们装入柔轮内。 此时柔轮由原来的圆形而变成椭圆形，椭圆长轴两端的柔轮与之配合的刚轮齿则处于完全啮合状态，即柔轮的外齿与刚轮的内齿沿齿高啮合。 这是啮合区，一般有 30%左右的齿处在啮合状态；椭圆短轴两端的柔轮齿与刚轮齿处于完全脱开状态，简称脱开；在波发生器长轴和短轴之间的柔轮齿，沿柔轮周长的不同区段内，有的逐渐退出刚轮齿间，处在半脱开状态，称之为啮出。 波发生器在柔轮内转动时，迫使柔轮产生连续的弹性变形，此时波发生器的连续转动，就使柔轮齿的啮入 — 啮合 — 啮出 — 脱开这四种状态循环往复不断地改变各自原来的啮合状态。 这种现象称之错齿运动，正是这一错齿运动，作为减速器就可将输入的高速转动变为输出的低速转动。 对于双波发生器的谐波齿轮传动，当波发生器顺时针转动 1/8 周时，柔轮齿与刚轮齿就由原来的啮入状态而成啮合状态，而原来脱开状态就成为啮入状态。 同样道理，啮出变为脱开，啮合变为啮出，这样柔轮相对刚轮转动（角位移）了1/4 齿；同理，波发生器再转动 1/8 周时，重复上述过 程，这时柔轮位移一个齿距。 依此类推，波发生器相对刚轮转动一周时，柔轮相对刚轮的位移为两个齿距。 柔轮齿和刚轮齿在节圆处啮合过程就如同两个纯滚动（无滑动）的圆环一样，两者在任何瞬间，在节圆上转过的弧长必须相等。 由于柔轮比刚轮在节圆周长上少了两个齿距，所以柔轮在啮合过程中，就必须相对刚轮转过两个齿距的角位移，这个角位移正是减速器输出轴的转动，从而实现了减速的目的。 通信系统 运动控制器在对工业机器人进行运动控制时， PC 机、 DSP 以及 FPGA 之间需要交换大量的数据，才能使各个关节协调运动，保证六自由度工业 机器人按照指令正常运行。 PC 与 DSP 机之间的通信 成熟的运动控制卡需要在上位机上实现人机交互界面 [3]，而运动控制卡本身需要执行实时的运动轨迹规划算法，因此上位机与运动控制卡之间需要大量的数据，因此 PC 与 DSP 之间的通信接口对传输的速率和实时性有很高的要求。 本课题所涉及的初级阶段的运动控制卡 DSP 中已经写入了两种固定的运动轨迹插值点 直线插值点和圆弧插值点， PC 机只需要给 DSP 发送命。