1绪论
1.1选题背景及意义
工业机器人是开链型空间连杆结构，由若干关节将各个连杆连在一起，主要针对工业生产领域，具有可编程性，可以通过不同的程序控制来完成多种不同的任务。主要应用在危险、重复量大、环境恶劣的工作环境，解放了大量的劳动力。由此可见，工业机器人技术附加值很高，应用范围广，做为先进制造业的支撑技术和信息化社会的新型产业，将对未来社会的发展起着重要作用。因此，研究工业机器人技术对于提高一个国家的自动化水平有着非常重要的意义，世界各个国家也都在制定发展战略去抢占工业机器人研究和产业化的制高点。在工业机器人的研究历史上，逐渐地产生并完善了多个技术领域⑴。首先一个主要的领域就是工业机器人的运动学，这是因为基于生产参数的运动学模型不精确，使得通过运动学理论定位末端执行器非常重要。到目前为止，运动学理论的发展一共有四个阶段。第一个阶段是数学上的建模，其中D-H (Denavit- Hartenberg)建模和POE(product-of-exponential)方程起主导作用在第二个阶段是利用传感器直接测量，发现了理论模型和实际模型的区别；第三个阶段是根据机器人末端执行器确定的位置，通过一?些优化的方法计算出机器人的各个关节轴的关节角，这也是工业机器人逆运动学的起源；第四个阶段是将改进的运动学模型应用在机器人中，主要应用在特别复杂的机器人结构当中，而且在大多数情况下都会用到迭代算法。现在为止，机器人运动学的研究仍然是一门幵放的学科，人们也正在努力希望提出一个能够减小计算复杂度的运动学算法[31[41。另外一个重要的研究领域是运动学轨迹规划，其目的是通过路径规划算法计算出工业机器人末端执行器的全部任务轨迹。目前文献中主要有两种类型的算法，分别是隐式算法和显式算法。隐式算法阐述了期望得到的机器人的动态行为，一个计算复杂度较低的的隐式算法是势场算法（Potential Held Algorithm)但这种算法的缺点是势场的局部极小值函数使得实际运动轨迹偏离。显式算法需要计算出末端执行器的始末两点之间的运动轨迹的插值点计算量相对比较大，但其精度可以由所用的插值算法决定，目应用的比较广泛，也是本文所应用的轨迹规划算法。
1.2本课题的主要内容
本课题是所设计的运动控制器针对的是六自由度工业机器人，需要控制六轴联动。为了保证实时性和精度，采用DSP和FPGA作为运动控制器的核心部件，也使得运动控制器更加开放，便于二次幵发。本课题的主要工作内容如下：
(1)设计运动控制器的整体系统架构。利用轨迹规划算法分别计算出一段直线运动和圆弧运动的插值点，并预先存入到DSP中。PC机向DSP中发送运动选择命令，来选择DSP中一种运动的插值点。而各个关节轴的实际位置是由FPGA对增量式编码器的输出编码解码得到的，并发送给DSP, DSP计算出理论插值点位置与实际位置的误差，根据该误差计算出下一个插值周期关节轴的转速所对应的码值，并发送给FPGA，实现实时地控制各个关节轴的速度和位置。
(2)设计运动控制器的硬件电路，包括控制器的电源电路、上位机与运动控制器的通信电路、DSP与FPGA的通信电路以及伺服控制电路，并完成了硬件的制板与调试。
(3)设计运动控制器的软件系统，包括计算在DSP中存入的直线和圆弧运动的插值点、DSP中SRAM测试、基于FPGA的双端口 RAM通信、增量式编码器解码、限位急停控制以及PWM输出控制。
(4)利用MATLAB对直线运动和圆弧运动的运动轨迹规划算法进行仿真，分别画出末端执行器的运动轨迹和六个关节轴的位置、速度曲线。在六自由度工业机器人实体上进行实验调试，将试验所得结果与仿真结果比较，证明所设计的运动控制器能够实现预期功能。
2工业机器人运动学理论分析及插值算法研究
直角坐标系是描述物体之间平移和转动关系最常用的坐标系，但在分析工业机器人的运动中，采用直角坐标系会给计算和分析带来很大的不便，这就需要另外一种坐标系一D-H坐标系124]。工业机器人可以看成由一系列刚体（连杆）通过关节链接而成的一个运动链。分别将多个笛卡尔坐标系固定在机器人的每个连打机构中，用齐次变换矩阵描述这些坐标系之间的相对位姿。工业机器人的运动方程，是分析其位移姿态的基本方程。工业机器人是开环的连杆机构，改变各个连杆的相对位置、相对速度、相对加速度，可使得末端执行器达到不同的空间位姿，得到不同的速度和加速度，进而完成期望的工作要求。首先在每个关节上固定一个笛卡尔坐标系，然后，确定从一个关节到下一个关节的变换步骤，也就是从一个坐标系到下一个坐标系的位姿变换[25]。本节基于典型的PUMA560工业机器人模型来进行分析，其所有关节均为转动关节，其连杆参数如图2.2所示。工业机器人的运动学主要有运动学的正解和逆解。如图2.3所示为著名的PUMA560工业机器人结构图，该机器人为六自由度的关节式机器人。为了更形象的描述其结构，可以人体结构类比，将第1关节（J1)类比为腰关节，第2关节（J2)类比为肩关节，第3关节（J3)类比为时关节，最后三个关节（J4、J5、J6)类比为腕关节。手腕的位置是由前3个关节确定，而其方位是由后3个关节确定127]。还要注意，PUMA560与许多其他的工业机器人一样，关节4、5、6相互垂直。下面以PUMA560为模型，分析其运动学。
3 运动控制器硬件系统设计......... 26-44
3.1 运动控制器需求分析 .........26-27
3.2 基于DSP和FPGA的运动控制器架构......... 27-28
3.3 运动控制器电源部分设计 .........28-33
3.4 运动控制器各模块之间的通信......... 33-34
3.4.1 PC与DSP机之间的通信 .........33-34
3.4.2 DSP与FPGA之间的通信......... 34
3.5 伺服模块与控制电路设计......... 34-44
3.5.1 伺服模块介绍......... 34-35
3.5.2 光耦模块......... 35-36
3.5.3 差分信号转换模块 .........36-37
3.5.4 模拟量输出模块......... 37-44
4 运动控制器软件系统设计......... 44-60
4.1 运动控制器软件总体设计......... 44-45
4.2 DSP各软件模块设计......... 45-46
4.2.1 DSP中的控制算法.........45
4.2.2 DSP中的SRAM模块......... 45-46
4.3 FPGA各软件模块设计 .........46-60
5 工业机器人轨迹规划仿真与实验......... 60-69
5.1 直线运动轨迹规划仿真与实验......... 61-64
5.2 圆弧运动轨迹规划仿真与实验 .........64-69
结论
本文的创新点在于：
(1)比较全面的分析了几种嵌入式解决方案及其应用于相机图像采集处理的优势与不足，针对FPGA和DaVinci这两个具有研究价值的平合展开分析，设计了两套不同特点的嵌入式高清工业相机。
(2)FPGA方案使用单片FPGA芯片，构建了完整的高清图像采集处理片上系统。内嵌硬实时图像预处理模块，自行设计了适用于高清图像采集和显示的IP核，充分利用FPGA并行流水线处理特性和软硬件协同设计特性完成设计。
(3)DM365方案，利用DaVinci强大的视频图像处理技术，实现了本地VGA和Ethernet双路高清视频输出，并且自行设计系统的各硬件PCB板，完成了支持SD卡、USB2.0、VGA、以太网这四种接口的一体化相机的硬件设计。在系统的开发过程中，由于个人设计水平以及开发周期有限，也发现了一些设计中可以改进以及值得商榷的地方。下面将讨论一些需要在接下来的设计工作中进行改进或进一步深化的内容。
参考文献
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