1 / 29

來源 : 國立台灣科技 大學 博碩士論文 姓名 藍凱威 (Kai-Wei Lan ) 指導 教授 : 黃緒哲 論文 名稱 ( 中 ): 以系統晶片發展具雙臂互動策略之人型機器人運動 控制 4972c115 李晉緯

來源 : 國立台灣科技 大學 博碩士論文 姓名 藍凱威 (Kai-Wei Lan ) 指導 教授 : 黃緒哲 論文 名稱 ( 中 ): 以系統晶片發展具雙臂互動策略之人型機器人運動 控制 4972c115 李晉緯. 目錄. 摘要 簡介 理論 結果 討論 參考文獻. 摘要.

step
Download Presentation

來源 : 國立台灣科技 大學 博碩士論文 姓名 藍凱威 (Kai-Wei Lan ) 指導 教授 : 黃緒哲 論文 名稱 ( 中 ): 以系統晶片發展具雙臂互動策略之人型機器人運動 控制 4972c115 李晉緯

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 來源:國立台灣科技大學博碩士論文 姓名 藍凱威 (Kai-Wei Lan) 指導教授:黃緒哲 論文名稱(中): 以系統晶片發展具雙臂互動策略之人型機器人運動控制 4972c115李晉緯

  2. 目錄 • 摘要 • 簡介 • 理論 • 結果 • 討論 • 參考文獻

  3. 摘要 • 本文主要應用SOPC技術研發具雙臂互動策略之人型機器人運動控制系統，在此系統的控制晶片內可概分為兩部分，第一部分是在晶片內以數位硬體電路實現訊號 擷取與輸出控制訊號之功能，其中包含光學編碼器信號偵測、四倍頻解碼電路、極限開關訊號偵測與脈波寬度調變信號輸出等。第二部分則是在Nios II微處理器內以軟體方式實現控制動作，其功能有運動學之計算、空間中點對點運動控制、連續運動軌跡計算、雙臂互動策略之運動控制與模糊滑動模式控制器 等。系統晶片採用美商ALTERA公司生產的Stratix II EP2S60F672C3N現場可程式邏輯閘陣列（FPGA），在系統晶片內之硬體部分使用Verilog HDL撰寫；軟體部分則使用C程式語言撰寫。最後，本論文整合了Nios II發展版、雙臂機器人和直流馬達驅動電路等，對各軸之步階響應、空間中多軸同動之點對點軌跡規劃及雙臂互動策略進行一連串的實驗，經由實驗結果可驗證本 文所設計的系統晶片之有效性與正確性。

  4. 簡介 • 隨著半導體技術快速地發展與進步，IC 的容量及功能不斷的增強，使得由 • FPGA 晶片設計製作之處理器的運算時脈大幅提升，讓其在機器人系統控制的相關研究發展與應用受到重視

  5. 理論 • 第二章 系統架構 • 2.1 Nios II 發展板 • 2.1.1 Nios II 微處理器規劃 • 2.1.2 程式撰寫與燒錄 • 2.2 雙臂機器人 • 2.3 馬達驅動電路 • 2.3.1 脈波寬度調變電路(PWM) • 2.4 個人電腦

  6. 2.1 Nios II 發展板 • 本研究使用美商Altera 公司針對SOPCSystem-On-a-Programmable-Chip • 設計之Nios II 發展板，版本為Stratix II 2S60 RoHS，以Nios II 處理器為核心 • 利用廠商提供的SOPC Builder 軟體套件，讓使用者可以很快速的將硬體系統包 • 括微處理器記憶體周邊面電路及使用者自訂之邏輯電路燒錄到單一個可 • 規劃晶片中，來達到整個系統的積體設計 • 就Altera 所提供的SOPC 晶片而言，可分StratixIICycloneAPEXII和FLEX • 等系列其中Stratix II 系列晶片具有最高效率最高密度廣闊的記憶體資源和 • 豐富特色的平台本文使用Stratix II 系列做為機械手臂伺服控制的核心，其具有 • 60,440 個邏輯單元Logic Element；LE最多可用718 個I/O腳位及2544192 RAM • bits此晶片可嵌入一顆Nios II 處理器，其為16/32 位元RISC 架構且能規劃其 • 核心大小，並提供微處理器與周邊元件之軟體核心，包括晶片內ROM晶片內 • RAMSDRAM 記憶體面DMA 面串列I/O並列I/OEthernet I/OTimer • 及自行擴充之I/O 等等在IP 方面，提供多種MegaCore，如ArithmeticMemory • Interfaces & PeripheralsCommunications和PLL & Clocking圖2-3 為Nios II 發 • 展板配置圖，除 Stratix II EP2S60F672C3N 晶片U62外，發展板上還具有 • 以下特點：

  7. 16MB Flash Memory U5 • 2MB synchronous SRAM U74 • 32MB DDR SDRAM U63 • CPU Reset button SW8 • Ethernet MAC/PHY U4, RJ1 • Serial connectors RS232 J19 • 9 • Push Button Switch SW0~SW3 • Individual LEDs D0~D7 • Seven-segment LEDs U8, U9 • JTag connector J24 • 50MHz Oscillator Y2 • 82 Expansion prototype connectorJ11~J13, J15~J17

  8. 可規劃系統晶片SOPC是一種新的軟硬體整合設計技術，能快速將硬體可規劃系統晶片SOPC是一種新的軟硬體整合設計技術，能快速將硬體 • 設計包含微處理器記憶體周邊面電路及使用者開發的邏輯電路以及軟 • 體設計整合放置於一顆可規劃晶片中設計流程如下： • 1. 硬體邏輯電路：使用 Quartus II 應用軟體對硬體描述語言進行電路合成 • 2. 定義微處理器規格：包含微處理器位址線與時脈記憶體周邊元件及客製 • 指令Custom Instruction • 10 • 3. 產生微處理器：使用 SOPC Builder 軟體完成 • 4. 編譯硬體檔：使用 Quartus II 應用軟體將上述硬體電路合成且編譯 • 5. 軟體設計：使用Nios II IDE 軟體配合周邊元件的driver 函式庫，以C 程式語 • 言撰寫應用程式碼，並加以除錯 • 6. 燒錄 FPGA：將軟硬體檔透過JTag面下載至Flash Memory，讓系統Boot up • 時執行Flash Memory 內的Instruction

  9. 2.1.1 Nios II 微處理器規劃 • Nios II 微處理器規劃必須配合上述硬體邏輯電路，方可藉由微處理器的資料 • 線位址線及控制線將命令傳送給上述硬體電路即能正確的取硬體電路的暫 • 器，再經由晶片的I/O 腳位與外部的電路連結本研究將微處理器細規格

  10. 圖 2-5 雙臂機器人Nios II 晶片控制系統

  11. 2.1.2 程式撰寫與燒錄 • 系統的控制方法使用軟體方式實現，透過Nios II IDE 整合性開發環境，可 • 以自行開發所需的功能在此環境中提供所有周邊元件的Driver 函式庫 • Hardware Abstraction Layer；HAL，如圖2-6 所示，HAL 提供以下功能20： • 1. 整合 ANSI C 的標準函式庫：讓使用者能使用簡單的C 語言函式，例如 • printf()scanf()fopen()與fwrite()等 • 2. 元件 driver：提供取周邊元件的函式 • 3. HAL API：提供一個強而有力的服務面，如device access 與interrupt • handling • 4. 系統初始化：在主程式main()之前初始化微處理器與runtime environment • 5. 元件初始化：在主程式 main()之前初始化所有的元件

  12. 因此透過HAL 能方便取及初始化發展板上的周邊元件系統設計完成後， • 透過Flash programming 將軟硬體檔燒錄至FPAG 元件，即可完成本實驗系統 • 圖 2-6 HAL-based system 之階層關係

  13. 2.2 雙臂機器人 • 本研究所使用的雙臂機器人為大華技術學院自動化工程系黃敏昌教授所協助設計製作單臂具有4 個自由度不包含夾爪之運動軸，再加上腰部的1 個旋轉自由度，共為9 個自由度機械手臂的輸出包含極限開關和馬達光學編碼器訊號，要得到馬達光學編碼器的訊號必須先從編碼器+5V 的接腳分別接上1KΩ 電阻到A/B 相訊號接腳後，再將A/B 相訊號接至Nios II 發展板；輸 • 入訊號由自製直流馬達驅動電路接至機械手臂各軸馬達

  14. 2.3 馬達驅動電路 • 由於機械手臂各旋轉軸的直流馬達的規格相差不多，因此在製作驅動電路 • 上，皆使用相同的電路，以下針對單軸的直流馬達驅動電路作說明，圖2-8 為單 • 軸直流馬達驅動電路之電路圖由Nios II 發展板送出的數位控制訊號，為脈波 • 寬度調變訊號PWM與馬達運動方向信號DIR，其訊號為TTL 3.3V，不足 • 以驅動直流馬達，故選擇LMD18200 當作馬達驅動IC21，其內部方塊如圖 • 2-9 所示此IC 最高額定電壓為DC 35V，額定電流為3A，使用此驅動IC 時僅 • 須控制PWMDIR 兩隻腳位，即可達成直流馬達的速度與轉向控制如圖2-10 • 所示，當Pin3DIR=0 時，送到Pin2V01Pin10V02為負的電壓，馬 • 達即反轉；反之，Pin3DIR=1 時，馬達正轉而轉速由輸入到Pin5PWM的平均電壓決定,圖 2-8 單軸直流馬達驅動電路21

  15. 圖 2-10 DIR 與V01-V02的關係圖

  16. 2.3.1 脈波寬度調變電路PWM • 脈波寬度調變訊號主要利用功率電晶體於導通和截止之開關區工作，其導通 • 時間的長短使電源輸出功率得以改變產生原理是以一個三角波和另一輸入參考 • 電壓做比較，當三角波大於或小於參考電壓時，使功率電晶體導通或截止，利用 • 此工作週期(Duty cycle)的變化改變平均電壓由於本研究選用LMD18200 IC， • 其內部已在H 型的橋式電路，僅需輸入PWM 和DIR 訊號因此本研究設計 • 一個13 位元的控制訊號，硬體電路僅需將輸入的13 Bit 控制訊號，與13 Bit 的 • 17 • 累加器比較而決定輸出duty cycle 的訊號，送至LMD18200 IC硬體電路輸入時 • 脈使用100MHz，輸出的PWM 時脈約為12.2KHz100MHz ÷ 213 ≒ 12.2KHz • PWM 電路設計如圖2-11 所示

  17. 2.4 個人電腦 • 個人電腦主要用為撰寫Verilog HDL硬體與C軟體程式硬體方面 • 是在Quartus II 發展環境編譯Compile下載檔，透過JTag通訊單元下載硬體 • 電路至Nios II 發展板軟體方面是在Nios II IDE 發展環境編譯下載檔，同樣是 • 透過JTag通訊單元下載程式碼至Nios II 發展板

  18. 結論 • 本文主要利用系統晶片為基礎來研製雙臂機器人互動策略之運動控制系 • 統，此晶片內可規劃一顆Nios II 微處理器及可程式邏輯電路元件PLD此晶 • 片系統可將運算簡單但速度要求較快的功能以硬體電路實現，而將運算複雜且需 • 要彈性的的功能使用軟體方式實現，上述兩模組間可並行處理，讓系統具有較高 • 的彈性亦能提升控制性能 • 由實驗結果可以驗證其確實具備雙臂互動之基本功能，目前已完成單手對靜 • 態目標物之抓取與擺放，及雙手對靜態目標物抓取與擺放之互動策略，並由實驗 • 可看出，本文所建立的雙臂機器人伺服控制系統於目標物之三維位置雖有些微誤 • 差，但對於靜態物體抓取仍可勝任由於本雙臂機器人伺服控制系統主要的目的 • 並不在於精密定位，而是一些功能性的呈現；具有基本的功能性後，再搭配上 • DSP 影像處理系統，以達到更多的雙臂互動策略或是與玩家即時互動之功能

  19. 參考文獻 • 1F. J. Lin, D. H. Wang, and P. K. Huang, “FPGA-based Fuzzy Sliding-mode • Control for a Linear Induction Motor Drive,” Proceeding of the IEEE • International Conference on Electrical Power Application, Vol. 152, No. 5, pp. • 1137-1148, September 2005. • 2范存堯, “永磁同步馬達位置控制之FPGA 晶片研製,” 碩士論文, 國立交 • 通大學電機工程研究所, 2004. • 3Y. S. Kung, and G. S. Shu, “Development of a FPGA-based Motion Control • IC for Robot Arm,” Proceeding of the IEEE International Conference on • Industrial Technology, pp.1397-1402, 2005. • 4喬執中, “力量控制於機械手臂運動之應用,” 碩士論文, 國立中央大學機 • 械工程研究所, 2001. • 5許哲誌, “關節型機械臂系統整合晶片之研製,” 碩士論文, 南台科技大學電 • 機工程研究所, 2005. • 6Tzuu-Hseng S. Li, Shih-Jie Chang, and Yi-Xiang Chen, “Implementation of • Autonomous Fuzzy Garage-Parking Control by an FPGA-Based Car-Like • Mobile Robot Using Infrared Sensors,” Proceedings of the 2003 IEEE • International Conference on Robotics & Automation, Taipei. Taiwan, • September 14-19. 2003. • 7M. Okura, and K. Murase, “Artificial Evolution of FPGA that controls a • Miniature Mobile Robot Khepera,” Proceedings of the Autonomous • minirobots for research and edulainmente (AniiRE2003). pp. 103-111 , 2003.

  20. 8L. W. Tsai, “Robot Analysis - The Mechanics of Serial and Parallel • Manipulators,” John Wiley & Sons, Inc., 1999. • 9C. C. Kung, and S. C. Lin, “A fuzzy-sliding mode controller design,” IEEE • International Conference on Systems Engineering, pp.608–611, 17-19 Sep • 1992. • 10謝欣瑋, “氣壓平台之運動控制,” 碩士論文, 國立台灣科技大學機械工程 • 技術研究, 2000. • 11T.C. Chen, and J.U. Hsu, “A fuzzy sliding mode controller for induction motor • position control,” IECON '94, 20th International Conference on Industrial • Electronics, Control and Instrumentation, Vol. 1, pp. 44-49, 5-9 Sep 1994. • 12J. N. Reed, S. J. Miles, J. Butler, M. Baldwin, and R. Noble, “Automation and • Emerging Technologies: Automatic Mushroom Harvester Development,” • Journal of Agricultural Engineering Research Vol. 78, Issue: 1, pp. 15-23, • January, 2001. • 13Kazuhiro Kosuge, HiromuKakuya, and Yasuhiza Hirata, “Control Algorithm • of Dual Arms Mobile Robot for Cooperative Works with Human,” IEEE. • 0-7803-77-2/01, pp. 3223-3228, 2001. • 14ChanHun Park, YoungDong Son, DooHyung Kim, KyoungTaik Park, • YoonSung Shin, and HeeSeoKAhn, “Design and Control of Dual Arm Robot • Manipulator for Precision Assembly,” International Conference on Control, • Automation and Systems 2007, pp. 1140-1143, Oct. 17-20, 2007. • 15Kenji INOUE, Yusuke NISHIHAMA, Tatsuo ARAI and Yasushi MAE, • “Mobile Manipulation of Humanoid Robots - Body and Leg Control for Dual • Arm Manipulation - ,” Proceedings of the 2002 IEEE International Conference • on Robotics & Automation, pp. 2259-2264, May 2002.

  21. 16Cao Qixin, Member, IEEE, Zhang Zhen, Student, IEEE, GuJiajun, “A • Distributed Control and Simulation System for Dual Arm Mobile Robot,” • Proceedings of the 2007 IEEE International Symposium on Computational • Intelligence in Robotics and Automation, pp. 450-455, June 20-23, 2007. • 17Tao XIAO, Qiang HUANG, Junyao GAO, and Weimin ZHANG, • “Manipulability and Stability of Pushing Operation by Humanoid Robot • BHR-2,” Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics • and Biomimetics, pp. 751-756, December 15-18, 2007. • 18Takefumi OSONE, Junya TATSUNO, Tomofumi NISHIDA, and Hisato • KOBAYASHI, “Cooperative Motion Planning for Dual Arm Robot to • Demonstrate Human Arm Movements,” Proceedings of the 2002 IEEE Int. • Workshop on Robot and Human Interactive Communication, pp. 488-493, • Sept. 25-27, 2002. • 19ALTERA, “Altera Embedded Peripherals,” ALTERA Corporation, 2005. • 20ALTERA, “Nios II Software Developer’s Handbook,” ALTERA Corporation • 2005

  22. 21http://www.national.com/pf/LM/LMD18200.html, 2006. • 22巫憲欣, “以系統晶片發展具機器視覺之機械手臂運動控制,” 碩士論文, • 國立台灣科技大學機械工程系, 2006. • 23Zadeh, L. A., “Fuzzy Sets,” Information and Control, Vol. 8, pp. 338-353, • 1965. • 24S. W. Kim, and J. J. Lee, “Design of a fuzzy controller with fuzzy sliding • surface,” Fuzzy Sets and Systems, Vol.71, pp.359-367, 1995. • 25R. Palm, “Sliding mode fuzzy control,” IEEE Int. Conference Fuzzy System, • San Diego, CA, pp.519-526, Mar. 1992. • 65

  23. 26L. X. Wang, “Stable adaptive fuzzy control of nonlinear systems,” IEEE Trans. • Fuzzy System, vol.1, pp.146-155, 1993. • 27R. Palm, “Robust control by fuzzy sliding mode,” Automatica, Vol.30, No.9, • pp.1429-1437, 1994. • 28S.C. Lin, and Y.Y. Chen, “Design of adaptive fuzzy sliding mode control for • nonlinear system control,” in Proc. 3rd IEEE Conf. Fuzzy Syst., IEEE World • congress Computat. Intell., Orlando, FL, Vol.1, pp.35-39, June 1994. • 29Yager, R.R. and Filev, D. P., Essentials of fuzzy modeling and control, John • Wiley and Sons, New York, 1994. • 30Yi, S.Y. and Chung, M.J., “Robustness of Fuzzy Logic Control for an • Uncertain Dynamic System,” IEEE Trans. on Fuzzy Systems, Vol.6, No.2, • May 1998. • 31黃國希, “雙層振動系統之控制,” 碩士論文, 國立台灣科技大學機械工程 • 系, 1999.

  24. 32林威成, “主動式車輛懸吊系統之控制器設計,” 碩士論文, 國立台灣科技 • 大學機械工程系, 2000. • 33謝欣瑋, “氣壓平台之運動控制,” 碩士論文, 國立台灣科技大學機械工程 • 系, 2000. • 34蔡金波, “機器人於自動化組裝之應用,” 碩士論文, 國立台灣科技大學機 • 械工程系, 2003. • 35蘇明, “光碟機控制器之設計應用,” 碩士論文, 國立台灣科技大學機械 • 工程系, 2004. • 36王振權, “單向加熱器溫度系統之控制器設計,” 碩士論文, 國立台灣科技 • 大學機械工程系, 2005. • 37王世賢, “長行程奈米定位系統之控制器設計,” 碩士論文, 國立台灣科技 • 大學機械工程系, 2005. • 66

  25. 38林淑怡, “X-Y 精密定位平台於彩色濾光片影像對位控制之應用,” 碩士論 • 文, 國立台灣科技大學機械工程系, 2006. • 39吳智逸, “可規劃系統晶片具立體視覺導引之機械手臂伺服控制,” 碩士論 • 文, 國立台灣科技大學機械工程系, 2007. • 40Y. B. ZHOU, R. O. BUCHAL, and R. G. FENTON, “ANALYSIS OF THE • GENERAL 4R AND 5R ROBOTS USING A VECTOR ALGEBRAIC • APPROACH,” Mech. Mach. Theory Vol. 30, No. 3, pp. 421-432, 1995. • 41Y. B. ZHOU and F. F. XI, “EXACT KINEMATIC ANALYSIS OF THE • GENERAL 5R ROBOT,” Mech. Mach. Theory Vol. 33, No. 1/2, pp. 175-184, • 1998.

  26. 42Chen Zhihuang, and Chen Li, “Dynamic and Variable Structure Control for • Dual-arm Space Robot to Track Desired Trajectory in Workspace,” • Proceedings of the 25th Chinese Control Conference, pp. 1547-1551, 7-11 • August, 2006. • 43Sinan Kilicaslan, S. Kemal Ider, and M. Kemal Ozgoren, “Trajectory Tracking • Control of Spatial Three-Link Flexible Manipulators,” Proceedings of the • European Control Conference 2007, pp. 4358-4364, July 2-5, 2007. • 44Jorge M. Martins, Alexandre N. Paris and Jose M. G. Sa da Costa, “Position • Control of a Manipulator with One Flexible Link,” Proceedings of the • European Control Conference 2007, pp. 4371-4376, July 2-5, 2007 • 45ALTERA, “Nios Development Board Stratix II Edition Reference Manual,” • ALTERA Corporation, May 2007. • 46CIC, ALTERA Training manual-FPGA Design with Quartus II, 2003. • 47http://www.altera.com/, 2008.

More Related