目前的工業(yè)機器人、多軸數(shù)控機床、自動化流水線等需要多個伺服運動控制的系統(tǒng)大多仍采用一個運動控制器或軌跡控制卡加多個伺服驅(qū)動器的分布式控制方式,在實際的應(yīng)用中存在著系統(tǒng)硬件冗余程度高、控制柜體積龐大、內(nèi)部各個模塊連線多且復(fù)雜、多軸運動同步性差、價格高昂等問題,所以有必要進一步簡化驅(qū)動器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文首先通過對機器人正逆運動學建模,對多軸機器人的軌跡規(guī)劃進行簡要分析,從機器人驅(qū)控一體化的發(fā)展趨勢出發(fā)設(shè)計并實現(xiàn)了具有Ether CAT總線接口,可以同時控制最多8臺伺服電機的多軸一體化機器人控制器;采用FPGA+STM32F407的雙核模式,使得ARM與可編程邏輯器件優(yōu)勢互補,在一片F(xiàn)PGA內(nèi)同時實現(xiàn)多軸伺服控制邏輯的同時充分發(fā)揮STM32F407的性能,大大縮小了機器人控制器的體積;對消耗較多邏輯資源的模塊采用復(fù)用的方式,節(jié)省了FPGA的邏輯資源;采用純電阻的隔離式相電流采樣方式,提高了電流環(huán)的帶寬。然后將一體化控制器實際應(yīng)用到工業(yè)六軸機器人的軌跡規(guī)劃中,采用正弦加減速的運動模型,完成機器人軌跡的平滑運動控制;應(yīng)用Twin CAT軟件平臺將控制器驅(qū)動機器人運行的實際數(shù)據(jù)與軌跡算法仿真數(shù)據(jù)進... 

【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省

【文章頁數(shù)】：89 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

010-2018年我國工業(yè)機器人銷量走勢圖

杭州電子科技大學碩士學位論文2產(chǎn)廠家往往不能掌握一整套機器人控制系統(tǒng)中的所有核心技術(shù)，因此采用各個模塊分開進購最后組裝到一個龐大的機器人控制柜里面的方式，這種組裝式的結(jié)構(gòu)往往在模塊間需要大量的連線且各個模塊都有自己獨立的處理器。而機器人在運動控制過程中需要十分高的多軸協(xié)同性，這種多核分布式的控制方式不可避免會導致整個控制系統(tǒng)的高延時。同時在控制柜內(nèi)還要配備有總的功率電源以及額外的IO控制器，整機臃腫且龐大，內(nèi)部連線多且復(fù)雜，一但機器發(fā)生故障，對于維護人員來說也是一個非常頭疼的問題。圖1.2(b)為集成式的機器人控制器架構(gòu)，也是本設(shè)計中所采用的架構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，整套系統(tǒng)內(nèi)幾乎無額外連線，系統(tǒng)內(nèi)所有電源線與控制信號都通過電路板連接，這種結(jié)構(gòu)不盡可以大大縮小控制器的體積和重量，而且能夠?qū)⒂布哂嘟档阶畹�。這種控制器結(jié)構(gòu)未來將大規(guī)模用于輕量化工業(yè)機器人和移動機器人等應(yīng)用場合。分立式機器人控制柜分立式控制柜體積龐大一體化控制器體積縮小70%(a)(b)圖1.2機器人控制器架構(gòu)對比本課題所設(shè)計的軌跡與伺服一體化控制器最多可同時驅(qū)動8臺伺服電機，整機直流母線電源由同一個電源整流濾波來提供，系統(tǒng)中僅采用一片F(xiàn)PGA加一片STM32F407來實現(xiàn)多軸伺服驅(qū)動功能�？刂破髌渲屑尚⌒蚉C工控機作為機器人運動控制與軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)單元�，F(xiàn)將本課題所設(shè)計控制器對比分立式控制器的優(yōu)勢羅列如下：(1)控制器中所有板卡均通過板到板接插件連接，板卡垂直安插在主控與電源母板上，大大縮小了一體化控制的體積，且有著良好的散熱性能；用一片F(xiàn)PGA芯片作為多軸伺服主控單元，減少復(fù)雜連線與硬件冗余，節(jié)省成本。(2)控制器內(nèi)板級高低壓電源、控制信號與高壓驅(qū)動信號完全電氣隔離，整機結(jié)構(gòu)雖然緊湊，但?

杭州電子科技大學碩士學位論文3能力和同步性能，并且利用FPGA的有限狀態(tài)機可以有效處理程序運行中的錯誤，保證系統(tǒng)運行時的底層軟件穩(wěn)定性。(4)功率板卡通過插拔方式固定在底板上，若所驅(qū)動機器人有變化可以直接更換對應(yīng)功率的板卡，對于控制系統(tǒng)具有良好的兼容性。板卡的更換以及維護方便，因而具有較強的靈活匹配性。(5)伺服系統(tǒng)采用FPGA+STM32F407的雙核結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮兩個芯片各自的優(yōu)勢，彌補對方的不足。(6)系統(tǒng)配備EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)總線接口，可以多機多設(shè)備串聯(lián)使用[7]。如圖1.3所示，一個主站將多套控制器通過網(wǎng)線串聯(lián)就可以同時控制多個機器人，增加了系統(tǒng)的可擴展性和二次開發(fā)的便捷程度[8]。主站從站1從站2從站n...EtherCAT總線圖1.3機器人一主多從控制架構(gòu)1.2工業(yè)機器人控制系統(tǒng)概述一個完整的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)中包含了多個學科的高新技術(shù)，集機械、材料、電子、自動化于一身[9]。從機器人的人機示教開始到最底層的伺服驅(qū)動再到外圍的多種傳感器，每一個層級都要經(jīng)過大量的信息交互與數(shù)據(jù)吞吐。正因如此，工業(yè)機器人站在了工業(yè)自動化金字塔的最頂端。隨著人力成本的增加與生產(chǎn)效率要求的提升，形形色色的工業(yè)機器人控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，各自扮演著不同的角色工作在高精尖的自動化領(lǐng)域。工業(yè)機器人形式多樣，從最基本的直角坐標系機器人到工業(yè)六軸機器人再到多臂冗余式協(xié)作機器人，機器人的關(guān)節(jié)與自由度越來越多，能夠觸及的空間與作業(yè)的靈活程度也越來越高。機器人控制器作為機器人控制系統(tǒng)的核心，負責從最初的人機軌跡輸入或示教到最后機械臂實際運行的所有驅(qū)動環(huán)節(jié)的控制，是整個機器人控制系統(tǒng)中開發(fā)難度最大也是技術(shù)含量最高的一部分。1.2.1多軸工業(yè)機器人組成工業(yè)機器人主要應(yīng)用在工業(yè)、制造業(yè)甚至?

【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3316320