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研究生: 賴柏儒
Po-Ju Lai
論文名稱: 以FPGA嵌入式系統為控制核心應用在五自由度機械手臂之機構設計與控制
Mechanism Design and Control of Five Axis Manipulator by FPGA Embedded System
指導教授: 黃緒哲
Shiuh-Jer Huang
口試委員: 黃安橋
An-Chyau Huang
顏炳郎
Ping-Lang Yen
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 101
中文關鍵詞: 五軸機械手臂控制五軸機械手臂機構設計FPGAFSMC
外文關鍵詞: forward kinematics
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本研究使用SolidWork繪圖軟體佐以機器人學理論自行設計製作五自由度串聯式機械手臂(Serial Manipulator),利用Denavit-Hartenberg(D-H)法來推算機械手臂之運動關係以及正向與反向運動學推導,且搭配自製之馬達驅動板與具有光學編碼器之直流馬達來達到定位訊號回饋;而在控制系統中因多軸機械手臂自由度多,故本研究使用可程式化邏輯閘陣列(Field-Programmable Gate Array)嵌入式系統開發板做為控制核心,且因應機械手臂之數學模型推導十分困難,因此導入不需要系統模型之模糊滑動控制(Fuzzy Sliding Mode Control),藉此達到準確之定位控制,以進行快速且準確之手臂運動操控性。


In this thesis, a five degree of freedom (DOF) manipulator was designed and constructed firstly. The driver of each joint motor was designed and built to control the joint motion. The Denavit-Hartenberg algorithm was employed to calculate the forward and inverse kinematics of this manipulator. The overall control system was constructed on a FPGA development board to monitor each joint motion and end-effector moving path. Since, it is hard to derive the accurate dynamic model of this multi-axis manipulator. Here, fuzzy-sliding mode controller is adopted to manipulate the motion trajectory of this manipulator. The experimental result shows that reasonable position control accuracy and response speed can be achieved with this model-free controller and embedded FPGA control structure.

目錄 摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 1 緒論 1 1.1前言 1 1.2文獻回顧 2 1.3研究動機 4 1.4論文架構 4 第二章 系統架構 5 2.1系統簡介 5 2.2機械手臂系統 6 2.2.1第一軸機構設計 10 2.2.2第二軸機構設計 11 2.2.3第三軸機構設計 12 2.2.4第四軸機構設計 14 2.2.5第五軸機構設計 15 2.3馬達驅動電路 17 2.3.1半橋驅動晶片 IR2104 19 2.3.2靴帶電路(Bootstrap) 20 2.3.3馬達驅動IC LMD18200T 22 2.4動力傳動系統 23 2.4.1時規皮帶與皮帶輪 23 2.4.2時規皮帶長度計算 24 2.4.3各軸時規皮帶輪系配置 24 2.5配重平衡系統 26 2.6極限設置系統 28 2.6.1光遮斷IC - SG-23FH 28 2.6.2各軸極限配置 29 2.7 FPGA數位系統設計 30 2.7.1 FPGA設計流程 31 2.7.2數位低通濾波 32 2.7.3馬達光學編碼器量測 33 第三章 運動學分析 34 3.1連桿座標與機械手臂參數 34 3.2正向運動學 37 3.3機械手臂工作範圍 38 3.4反向運動學 40 3.4.1反運動學推導方式 40 3.5梯形速度規劃 43 第四章 機械手臂運動控制與策略 48 4.1基本模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control) 48 4.1.1基本模糊邏輯控制器架構 48 4.2滑動模式控制 (Sliding Mode Control) 53 4.2.1滑動模式控制原理 53 4.2.2滑動模式控制理論基礎 54 4.3模糊滑動控制 (Fuzzy Sliding Mode Control) 58 第五章 實驗結果與討論 63 5.1各軸步階響應 64 5.1.1單軸移動 – 姿態一 66 5.1.2多軸同動 – 姿態一 68 5.1.3單軸移動 – 姿態二 70 5.1.4多軸同動 – 姿態二 72 5.2梯形速度規劃之點對點運動控制 74 5.2.1絕對型FSMC 76 5.2.2相對型FSMC 79 第六章 結論與未來展望 83 6.1結論 83 6.2未來展望 84 參考文獻 85

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