開題報(bào)告基于fpga的串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及軌跡規(guī)劃

1、一、 立論依據(jù)課題來源、選題依據(jù)和背景情況、課題研究目的、理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值1、 課題來源導(dǎo)師推薦2、 選題依據(jù)和背景情況工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動(dòng)化裝備，發(fā)達(dá)國家以機(jī)器人為核心的自動(dòng)化生產(chǎn)線已成為一種趨勢,尤其在汽車、電子制造、冶金石化、港口物流等行業(yè)應(yīng)用廣泛，大大保證和提高了企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，推動(dòng)了這些行業(yè)的快速發(fā)展。機(jī)器人作為人類的新型生產(chǎn)工具，是自動(dòng)執(zhí)行工作和任務(wù)的機(jī)器裝置，在減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生成效率，改變生產(chǎn)模式和將人從危險(xiǎn)，惡劣，繁重的工作環(huán)境中解放出來等方面，顯示出極大地優(yōu)越性。隨著機(jī)器人研究的不斷深入，其應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，面臨的環(huán)境和任務(wù)也越來越復(fù)雜。這是本

2、作品設(shè)計(jì)目的的其中之一。機(jī)器人不僅可以幫助人類實(shí)現(xiàn)一些惡劣、繁重、危險(xiǎn)和難以實(shí)現(xiàn)等環(huán)境下的作業(yè)任務(wù)。而且機(jī)器人還具有操作精度高、可連續(xù)不斷的工作等特點(diǎn)，可以減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。現(xiàn)代機(jī)器人的應(yīng)用范圍不僅包括制造領(lǐng)域，還包括非制造領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線、軍事、航空航天、服務(wù)業(yè)、醫(yī)療、人類日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人正向著智能化和多樣化方向發(fā)展，應(yīng)用也越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。當(dāng)今基于嵌入式系統(tǒng)的兩臂機(jī)器人研究正成為工業(yè)機(jī)器人的研究熱點(diǎn)。它已經(jīng)成為一種公認(rèn)的科學(xué)研究對(duì)象，并且在社會(huì)實(shí)踐中逐漸展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛能和價(jià)值。從機(jī)器人的深入研究和快速發(fā)展中可以預(yù)見21世紀(jì)，機(jī)器人將會(huì)出

3、現(xiàn)在人類生活的每個(gè)角落，亦不可阻擋之勢成為時(shí)代發(fā)展的主流，我國大學(xué)生，研究生和高科技人才要做好應(yīng)對(duì)之策，加大對(duì)機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用，爭取走在時(shí)代前列，趕超歐美和日本等高科技發(fā)達(dá)國家，使機(jī)器人能更好的為我國社會(huì)主義現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)，為我國的人民服務(wù)。人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，推動(dòng)著機(jī)器人技術(shù)不斷的發(fā)展和完善。機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，又促進(jìn)人民生活質(zhì)量的改善，推動(dòng)者生產(chǎn)力的提高和整個(gè)社會(huì)的進(jìn)步。在現(xiàn)實(shí)生活中機(jī)器人無處不在，在人們?nèi)粘Ｉ钪袊鹬匾淖饔?，并開始慢慢的融入了人們的生活。機(jī)器人技術(shù)作為當(dāng)今科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿學(xué)科和重要的研究領(lǐng)域之一，必將成為未來社會(huì)生產(chǎn)和生活中不可缺少的重要工具。因

4、此，以上是我們研究基于FPGA的串聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究的目的所在。將有非常好的產(chǎn)業(yè)化前景，具有重大的實(shí)際意義，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。3、研究目的和意義本課題的研究目的在于解決工業(yè)生產(chǎn)線上工業(yè)機(jī)械人智能抓取運(yùn)動(dòng)物體過程中的軌跡規(guī)劃問題。傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人通過示教和預(yù)編程來實(shí)現(xiàn)固定的抓取，位置與姿勢的變化。其運(yùn)動(dòng)軌跡以及物體的起始位姿和終止位姿都是用戶指定的。為了提高串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度，國內(nèi)外機(jī)器人公司和研究機(jī)構(gòu)都將軌跡規(guī)劃作為串聯(lián)機(jī)械臂研究的一個(gè)重要方向，也是研究機(jī)械臂重要的性能指標(biāo)之一。軌跡規(guī)劃是工業(yè)機(jī)器人的控制基礎(chǔ)，其控制目標(biāo)是平穩(wěn)、快速和精確實(shí)現(xiàn)所規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)。工業(yè)機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃需給

5、出末端操作器的初始位姿、終止位姿和軌跡曲線運(yùn)動(dòng)中所經(jīng)過的有限個(gè)已知點(diǎn)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡的約束條件，可以將運(yùn)動(dòng)軌跡分為簡單描述和詳細(xì)描述兩種。簡單描述運(yùn)動(dòng)時(shí)，只規(guī)定工業(yè)機(jī)械臂的初始位姿和終止位姿即可，即點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式。而詳細(xì)描述運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要規(guī)定工業(yè)機(jī)械臂的初始位姿和終止位姿，而且要給出介于初始位姿和終止位姿兩點(diǎn)之間的有限個(gè)路徑點(diǎn)，即路徑跟蹤運(yùn)動(dòng)。其軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)包括時(shí)間最優(yōu)、距離最短和功率最優(yōu)等。而軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)方式既可以在關(guān)節(jié)空間實(shí)現(xiàn)也可以在笛卡爾空間實(shí)現(xiàn)，其在關(guān)節(jié)空間實(shí)現(xiàn)方法有很多種，包括三次多項(xiàng)式插值函數(shù)、帶拋物線過渡的三次多項(xiàng)式插值函數(shù)、五次多項(xiàng)式插值函數(shù)和樣條插值函數(shù)等。國內(nèi)外對(duì)串聯(lián)

6、工業(yè)機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃研究中，較多的是采用時(shí)間最優(yōu)的帶拋物線過渡的三次多項(xiàng)式或五次多項(xiàng)式來實(shí)現(xiàn)。雖然串聯(lián)工業(yè)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是大部分工業(yè)機(jī)械臂研究人員對(duì)其還在不斷的完善其軌跡規(guī)劃方式，以提高串聯(lián)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的精度。點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)不需要在笛卡爾空間對(duì)機(jī)器人的末端操作器運(yùn)動(dòng)軌跡曲線進(jìn)行規(guī)劃，而只需要在關(guān)節(jié)空間對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃即可。由于點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方式只關(guān)心特定的起始位置和終止位置點(diǎn)，不考慮運(yùn)動(dòng)軌跡的路徑。因此，點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工業(yè)機(jī)械臂的末端操作器在笛卡爾空間坐標(biāo)系中具有很多種可能的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)需要規(guī)定末端操作器在笛卡爾空間的軌跡運(yùn)動(dòng)路徑，保證工業(yè)機(jī)械臂

7、的末端操作器能夠在規(guī)定的路徑軌跡上運(yùn)動(dòng)，需要實(shí)時(shí)計(jì)算出路徑上運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，而點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路徑的中間軌跡路徑是不確定的。因此，軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)只能夠在規(guī)定的路徑點(diǎn)上保證工業(yè)機(jī)器人的末端操作器達(dá)到期望位姿，但是不能夠保證各個(gè)路徑點(diǎn)中間軌跡工業(yè)機(jī)器人的末端操作器達(dá)到期望位姿。軌跡跟蹤運(yùn)動(dòng)除了規(guī)定初始位姿和終止位姿約束外，還存在著各個(gè)路徑點(diǎn)之間的時(shí)間分配問題。為了減小兩個(gè)路徑點(diǎn)之間工業(yè)機(jī)械臂的末端操作器實(shí)際位姿與期望位姿的偏差，通常對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)按照聯(lián)動(dòng)控制進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃。實(shí)際上就是在進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃時(shí)，要使得各個(gè)關(guān)節(jié)具有相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。本課題研究的基與FPGA機(jī)器人控制系統(tǒng)，有效的解決了機(jī)器人

8、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的問題，以及伺服電機(jī)控制問題，可以完成在工業(yè)環(huán)境下使機(jī)器人對(duì)用戶指定的的移動(dòng)工件進(jìn)行智能抓取，改善了傳統(tǒng)示教型機(jī)器人需要用戶設(shè)定的問題，也改善了工業(yè)機(jī)器人對(duì)生產(chǎn)線環(huán)境的適應(yīng)能力，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人視覺伺服的升級(jí)改造，增加了工業(yè)生產(chǎn)線的智能程度。二、 文獻(xiàn)綜述國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、發(fā)展動(dòng)態(tài)：所閱讀文獻(xiàn)的查閱范圍及手段5R串聯(lián)工業(yè)機(jī)械臂的研究是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件平臺(tái)、軟件平臺(tái)和算法部分等內(nèi)容，在機(jī)械臂的研究過程中還將用到運(yùn)動(dòng)學(xué)理論、軌跡規(guī)劃和三維圖形仿真等技術(shù)。因此，論文的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀包括工業(yè)機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀、機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的研究現(xiàn)狀和工業(yè)機(jī)械

9、臂仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀等內(nèi)容，現(xiàn)分別介紹如下。在國外，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用和認(rèn)可，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，這些公司已成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)，簡單介紹如表1.3所示16。表中是當(dāng)前比較典型的4個(gè)工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)和開發(fā)公司，還有很多公司沒有列舉。國外機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟和快速發(fā)展主要體現(xiàn)如表1.4所示在國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了大量研究，如表1.5所示三、研究內(nèi)容1.學(xué)術(shù)構(gòu)想與思路、主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵技術(shù) 軌跡規(guī)劃需要對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行描述，根據(jù)已經(jīng)確定的軌跡參數(shù)，在計(jì)算機(jī)上模擬所要求的軌跡,在規(guī)劃中，

10、不僅要規(guī)定機(jī)器人的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而且要給出中間點(diǎn)（路徑點(diǎn)）的位姿及路徑點(diǎn)之間的時(shí)間分配，即給出了兩個(gè)路徑點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。傳統(tǒng)的機(jī)器人基本操作方式是示教-再現(xiàn)，即首先教機(jī)器人如何做，機(jī)器人記住了這個(gè)過程，于是它可以根據(jù)需要重復(fù)這個(gè)動(dòng)作。操作過程中，不可能把空間軌跡的所有點(diǎn)都示教一邊，對(duì)于有規(guī)律的軌跡，僅示教幾個(gè)特征點(diǎn)，計(jì)算機(jī)就能利用插補(bǔ)算法獲得中間點(diǎn)的坐標(biāo)，如直線需要示教兩點(diǎn)，圓弧需要示教三點(diǎn)，通過機(jī)器人逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法，由這些點(diǎn)的坐標(biāo)求出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位置和角度，然后由后面的角位置閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求的軌跡上的一點(diǎn)。繼續(xù)插補(bǔ)并重復(fù)上述過程，從而實(shí)現(xiàn)要求的軌跡，可見，國內(nèi)主要專注于以下三個(gè)階段

11、，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，插補(bǔ)算法，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的求取中，主要集中在用解析法，迭代法等傳統(tǒng)的算法，還有今年涌現(xiàn)出的許多優(yōu)秀的學(xué)者提出了各種先進(jìn)的逆解算法，例如基于免疫RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，模擬退火或基于改進(jìn)的模擬退火算法，遺傳算法，粒子群算法，蟻群算法等運(yùn)用到機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解中去，取得了較好的效果，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算時(shí)間縮短，計(jì)算結(jié)果的精度顯著提高，關(guān)于機(jī)器人的插補(bǔ)算法大致分為兩種，定時(shí)插補(bǔ)和定距插補(bǔ)，這兩種插補(bǔ)方式的基本算法是一樣的，只是前者固定時(shí)間，易于實(shí)現(xiàn)，后者報(bào)這個(gè)軌跡插補(bǔ)精度，但時(shí)間要隨著速度而變化，實(shí)現(xiàn)起來稍困難些。最后是機(jī)器人關(guān)節(jié)變量的運(yùn)動(dòng)控制，核心是伺服電機(jī)

12、的驅(qū)動(dòng)以及高精度控制，國內(nèi)外大多著名的機(jī)器人廠商集中采用了大型的電氣驅(qū)動(dòng)箱以及基于工業(yè)PC的運(yùn)動(dòng)控制架構(gòu)，在機(jī)器人的小型化上也有許多人嘗試基于嵌入式的機(jī)器人控制方案。2.擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)施方案及可行性分析 第一種方案屬于集中式體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，完全是基于PC機(jī)作為硬件平臺(tái)，其配置要求較高，在此硬件平臺(tái)上使用VC軟件來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械臂的各種控制算法。這種運(yùn)動(dòng)控制方式比較傳統(tǒng)，當(dāng)工作任務(wù)增加過多時(shí)，中央處理器將會(huì)承受很大的負(fù)擔(dān)，此時(shí)CPU出現(xiàn)任何問題都會(huì)對(duì)機(jī)械臂控制系統(tǒng)整體帶來影響。因此，這種對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制的方案已經(jīng)很少使用。第二種方案屬于分布式體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，是將基于多個(gè)PC

13、I插槽的運(yùn)動(dòng)控制板卡安裝在PC機(jī)或PowerPC上來實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械臂的各種控制算法，或采用現(xiàn)場總線的分布式控制體系結(jié)構(gòu)。這種方案相對(duì)第一種傳統(tǒng)方案來說具有很大的優(yōu)勢，主處理器只需要完成部分算法功能和整體協(xié)調(diào)其他各個(gè)處理器的任務(wù)即可，而其他任務(wù)可以放到其他運(yùn)動(dòng)控制卡中實(shí)現(xiàn)，這樣將減少對(duì)主處理器的負(fù)擔(dān)，增加整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第三種方案是相對(duì)新穎的工業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式，目前有很多用戶已經(jīng)使用了這種方案來嘗試新的突破，模塊化設(shè)計(jì)為控制系統(tǒng)帶來很多好處，具有高效性和方便使用等特點(diǎn)，但是價(jià)格高本論文中采用基于FPGA處理器作為工業(yè)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)的核心硬件平臺(tái)，是一個(gè)嘗試性和探索性的研究，目前還

14、沒有公司單獨(dú)采用FPGA來完成機(jī)械臂的控制系統(tǒng)。四、研究基礎(chǔ)1.所需實(shí)驗(yàn)手段、研究條件和實(shí)驗(yàn)條件利用圖書館、中國知網(wǎng)、google討論組等進(jìn)行資料查詢與收集，完成項(xiàng)目調(diào)研、理論算法研究以及學(xué)習(xí)編程。以FPGA為硬件平臺(tái)，以CCS3.3和altera 的quartus為軟件平臺(tái)，對(duì)算法理論進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。1、 所需經(jīng)費(fèi)，包含經(jīng)費(fèi)來源、開支預(yù)算（工程設(shè)備、材料須填寫名稱、規(guī)格、數(shù)量）開支項(xiàng)目名稱金額經(jīng)費(fèi)來源備 注書籍資料費(fèi)1000元研究生經(jīng)費(fèi)購買書籍資料開題和中期費(fèi)200元研究生經(jīng)費(fèi)開題和中期開銷科研材料費(fèi)2000元項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)購買機(jī)器人零件以及相關(guān)硬件論文打印裝訂費(fèi)1000元研究生經(jīng)費(fèi)打印及裝訂論文論文答

15、辯費(fèi)1500元研究生經(jīng)費(fèi)畢業(yè)答辯開銷合計(jì)5700一、 工作計(jì)劃序號(hào)論文工作的階段及內(nèi)容工作量估計(jì)起訖日期階段成果形式1開題前調(diào)研2013.9-2013.11調(diào)研課題可行性2理論知識(shí)學(xué)習(xí)2013.9-2013.12掌握相關(guān)理論3文獻(xiàn)檢索并準(zhǔn)備開題2013.12-2013.12初期文獻(xiàn)準(zhǔn)備4查找資源2013.12-2014.1完成文獻(xiàn)資料準(zhǔn)備5總體方案設(shè)計(jì)2014.1-2014.3完成總體方案設(shè)計(jì)6各部分設(shè)計(jì)2014.3-2014.11完成各部分模塊設(shè)計(jì)7算法實(shí)現(xiàn)2014.11-2015.1算法在PC上實(shí)現(xiàn)8論文初稿2015.1-2015.3完成畢業(yè)論文初稿9論文校正、修改、定稿2015.3-20

16、15.4校正、修改、定稿10論文答辯2015.5-2015.6畢業(yè)論文答辯湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文選題報(bào)告評(píng)分表評(píng)審項(xiàng)目權(quán)重評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)得分(百分制)一、選題依據(jù)(A)30%80-100分選題有較強(qiáng)的理論意義、實(shí)用價(jià)值、深刻的學(xué)術(shù)研究內(nèi)涵60-80分選題有一定的理論意義、實(shí)用價(jià)值、有一定的學(xué)術(shù)研究內(nèi)涵60分以下選題缺乏理論意義和實(shí)用價(jià)值二、理論基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)(B)20%80-100分較好的掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)60-80分基本掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)60分以下未能掌握?qǐng)?jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)三、選題難度及先進(jìn)性(C)30%80-100分研究課題屬本學(xué)科發(fā)展方向并居前沿位置、具有自己獨(dú)特的思考、研究課題具有較強(qiáng)的先進(jìn)性60-80分研究課題屬本學(xué)科發(fā)展方向并具有先進(jìn)性60分以下研究課題與本學(xué)科的發(fā)展方向先進(jìn)性不明顯四、文字表達(dá)(D)10%80-100分條例清晰、分析嚴(yán)謹(jǐn)、文筆流暢60-80