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基于Kinect的远程机械臂体感控制系统研究

作　者: 裴岩明
导　师: 刘蕴红
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 机械臂 体感控制 FPGA 滑动平均滤波
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


机器人技术是工业进步的标志,在某些危险的工作环境中,它们有着不可替代的作用。Microsoft Kinect传感器问世后,体感机器人成了当今的一个研究热点,它有着巨大的潜在价值。本文设计了一个由FPGA控制的远程机械臂监控系统,可以通过体感方式完成机械臂控制。机械臂本体采用六自由度串联型机械臂,利用MATLAB Robotics Toolbox建立了它的模型,并完成了机械臂的正运动学、逆运动学和轨迹规划求解。本文采用Altera公司的EP2C8Q208型FPGA作为下位机主控芯片,编写了Verilog HDL程序包括PWM方式舵机控制程序、串行通信发送和接收程序、解析上位机发送给FPGA的控制命令程序、加速度传感器与FPGA的I2C通信程序、角陀螺仪与FPGA之间的AD转换程序等。上位机由Lab VIEW编程,计算主要关节的夹角和腰部转动角度,实时显示三维模拟机械臂的运动状态,采用三种方式控制机械臂运动：上位机直接选择控制舵机的编号、方向和角度对机械臂进行运动控制；MATLAB与Lab VIEW混合编程,输入目标点的三维坐标,由MATLAB编写的机械臂运动学反解程序进行舵机转角的自动计算和控制；基于Kinect传感器,用C#编写了基于空间向量法计算人体双臂关节角的程序,实现双臂体感控制机械臂,其中,左臂负责机械臂肩关节、肘关节、腕关节俯仰的控制,右臂负责腰部、腕关节旋转和手指的控制。Lab VIEW程序生成.exe可执行文件,可移植性高。在上位机中,对双臂各个关节夹角进行滤波,提出带限幅的加权滑动平均滤波算法,并与滑动平均滤波算法、加权滑动平均滤波算法进行了对比分析。经调试,FPGA接收和发送指令无冲突,机械臂的运动平稳且位置准确,Kinect传感器检测人体骨骼关节角正确,LabVIEW可以实时读取C#生成在文本文件(txt格式)中关节角的数据并进行滤波,能滤除异常数据使得曲线平滑,时滞性小,机械臂可夹取形状规则的物体。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 机械臂控制系统的研究背景和意义  9-11
    1.1.1 机械臂控制系统的研究背景  9-10
    1.1.2 机械臂控制系统的研究意义  10-11
  1.2 机器人遥操作技术  11-12
  1.3 本文的主要工作和章节安排  12-14
2 机械臂模型的建立  14-22
  2.1 机械臂运动学  14
  2.2 机械臂的位姿描述  14-17
    2.2.1 刚体位置和姿态  14-16
    2.2.2 齐次坐标变换  16-17
  2.3 机械臂的D-H参数  17-18
  2.4 MATLAB Robotics Toolbox简介  18
  2.5 机械臂建模及正运动学仿真  18-22
3 机械臂控制系统硬件开发  22-31
  3.1 六自由度机械臂控制系统  22-24
  3.2 可编程逻辑控制器  24
  3.3 ZigBee无线传感器网络设计  24-27
  3.4 加速度传感器测关节角  27-28
  3.5 角陀螺仪及模数转换  28-29
  3.6 直流电机驱动  29
  3.7 Microsoft Kinect传感器  29-31
4 机械臂控制系统下位机软件开发  31-45
  4.1 可编程逻辑控制器程序设计  31-43
    4.1.1 Verilog HDL简述  31
    4.1.2 Verilog HDL程序顶层设计  31-33
    4.1.3 六路舵机控制  33-35
    4.1.4 串行通信  35-36
    4.1.5 机械臂控制命令解析  36-38
    4.1.6 I~2C通信  38-41
    4.1.7 模数转换  41-43
  4.2 ZigBee无线通信  43-45
5 机械臂控制系统上位机软件开发  45-71
  5.1 Kinect传感器软件开发  45-52
    5.1.1 开发平台  45-46
    5.1.2 Kinect骨骼追踪  46-47
    5.1.3 空间向量法计算关节角  47-52
  5.2 LabVIEW程序开发  52-67
    5.2.1 LabVIEW简介  52-53
    5.2.2 LabVIEW程序框架  53-55
    5.2.3 监控系统登录程序  55
    5.2.4 串行通信与控制命令发送  55-57
    5.2.5 机械臂关节角度计算  57-60
    5.2.6 LabVIEW与MATLAB混合编程计算关节角  60-64
    5.2.7 LabVIEW与C#数据传输  64-67
  5.3 滑动平均滤波算法平滑关节角度  67-71
    5.3.1 滑动平均滤波算法  67-69
    5.3.2 加权滑动平均滤波算法  69
    5.3.3 限幅加权滑动平均滤波算法  69-71
结论  71-73
参考文献  73-77
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  77-78
致谢  78-79

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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