發(fā)布時(shí)間：2021-08-01 22:00

　　目前的工業(yè)機(jī)器人、多軸數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)化流水線等需要多個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)控制的系統(tǒng)大多仍采用一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器或軌跡控制卡加多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器的分布式控制方式,在實(shí)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(gè)模塊連線多且復(fù)雜、多軸運(yùn)動(dòng)同步性差、價(jià)格高昂等問(wèn)題,所以有必要進(jìn)一步簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本文首先通過(guò)對(duì)機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建模,對(duì)多軸機(jī)器人的軌跡規(guī)劃進(jìn)行簡(jiǎn)要分析,從機(jī)器人驅(qū)控一體化的發(fā)展趨勢(shì)出發(fā)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有Ether CAT總線接口,可以同時(shí)控制最多8臺(tái)伺服電機(jī)的多軸一體化機(jī)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(shì)互補(bǔ),在一片F(xiàn)PGA內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)多軸伺服控制邏輯的同時(shí)充分發(fā)揮STM32F407的性能,大大縮小了機(jī)器人控制器的體積;對(duì)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(shí)際應(yīng)用到工業(yè)六軸機(jī)器人的軌跡規(guī)劃中,采用正弦加減速的運(yùn)動(dòng)模型,完成機(jī)器人軌跡的平滑運(yùn)動(dòng)控制;應(yīng)用Twin CAT軟件平臺(tái)將控制器驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的實(shí)際數(shù)據(jù)與軌跡算法仿真數(shù)據(jù)進(jìn)... 

【文章來(lái)源】：杭州電子科技大學(xué)浙江省

【文章頁(yè)數(shù)】：89 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

010-2018年我國(guó)工業(yè)機(jī)器人銷量走勢(shì)圖

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文2產(chǎn)廠家往往不能掌握一整套機(jī)器人控制系統(tǒng)中的所有核心技術(shù)，因此采用各個(gè)模塊分開(kāi)進(jìn)購(gòu)最后組裝到一個(gè)龐大的機(jī)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(gè)模塊都有自己獨(dú)立的處理器。而機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)控制過(guò)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(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的高延時(shí)。同時(shí)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(jī)臃腫且龐大，內(nèi)部連線多且復(fù)雜，一但機(jī)器發(fā)生故障，對(duì)于維護(hù)人員來(lái)說(shuō)也是一個(gè)非常頭疼的問(wèn)題。圖1.2(b)為集成式的機(jī)器人控制器架構(gòu)，也是本設(shè)計(jì)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(wú)額外連線，系統(tǒng)內(nèi)所有電源線與控制信號(hào)都通過(guò)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(lái)將大規(guī)模用于輕量化工業(yè)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人等應(yīng)用場(chǎng)合。分立式機(jī)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(jī)器人控制器架構(gòu)對(duì)比本課題所設(shè)計(jì)的軌跡與伺服一體化控制器最多可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8臺(tái)伺服電機(jī)，整機(jī)直流母線電源由同一個(gè)電源整流濾波來(lái)提供，系統(tǒng)中僅采用一片F(xiàn)PGA加一片STM32F407來(lái)實(shí)現(xiàn)多軸伺服驅(qū)動(dòng)功能�？刂破髌渲屑尚⌒蚉C工控機(jī)作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制與軌跡規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)單元�，F(xiàn)將本課題所設(shè)計(jì)控制器對(duì)比分立式控制器的優(yōu)勢(shì)羅列如下：(1)控制器中所有板卡均通過(guò)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?gòu)?fù)雜連線與硬件冗余，節(jié)省成本。(2)控制器內(nèi)板級(jí)高低壓電源、控制信號(hào)與高壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)完全電氣隔離，整機(jī)結(jié)構(gòu)雖然緊湊，但?

杭州電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3能力和同步性能，并且利用FPGA的有限狀態(tài)機(jī)可以有效處理程序運(yùn)行中的錯(cuò)誤，保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的底層軟件穩(wěn)定性。(4)功率板卡通過(guò)插拔方式固定在底板上，若所驅(qū)動(dòng)機(jī)器人有變化可以直接更換對(duì)應(yīng)功率的板卡，對(duì)于控制系統(tǒng)具有良好的兼容性。板卡的更換以及維護(hù)方便，因而具有較強(qiáng)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(gè)芯片各自的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)對(duì)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(jī)多設(shè)備串聯(lián)使用[7]。如圖1.3所示，一個(gè)主站將多套控制器通過(guò)網(wǎng)線串聯(lián)就可以同時(shí)控制多個(gè)機(jī)器人，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和二次開(kāi)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(jī)器人一主多從控制架構(gòu)1.2工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)概述一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中包含了多個(gè)學(xué)科的高新技術(shù)，集機(jī)械、材料、電子、自動(dòng)化于一身[9]。從機(jī)器人的人機(jī)示教開(kāi)始到最底層的伺服驅(qū)動(dòng)再到外圍的多種傳感器，每一個(gè)層級(jí)都要經(jīng)過(guò)大量的信息交互與數(shù)據(jù)吞吐。正因如此，工業(yè)機(jī)器人站在了工業(yè)自動(dòng)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(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，各自扮演著不同的角色工作在高精尖的自動(dòng)化領(lǐng)域。工業(yè)機(jī)器人形式多樣，從最基本的直角坐標(biāo)系機(jī)器人到工業(yè)六軸機(jī)器人再到多臂冗余式協(xié)作機(jī)器人，機(jī)器人的關(guān)節(jié)與自由度越來(lái)越多，能夠觸及的空間與作業(yè)的靈活程度也越來(lái)越高。機(jī)器人控制器作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)從最初的人機(jī)軌跡輸入或示教到最后機(jī)械臂實(shí)際運(yùn)行的所有驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)的控制，是整個(gè)機(jī)器人控制系統(tǒng)中開(kāi)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(jī)器人組成工業(yè)機(jī)器人主要應(yīng)用在工業(yè)、制造業(yè)甚至?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于ARM+FPGA的數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[J]. 支萌輝,尹泉,呂松壘,華強(qiáng).  電氣傳動(dòng). 2020(09)
[2]工業(yè)機(jī)器人與視覺(jué)系統(tǒng)的集成研究[J]. 張明奎.  南方農(nóng)機(jī). 2019(21)
[3]多機(jī)器人協(xié)同系統(tǒng)的研究綜述及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 包翔宇,曹學(xué)鵬,張弓,王建,侯志丞,梁濟(jì)民,徐征,王衛(wèi)軍,楊文林,韓彰秀.  制造技術(shù)與機(jī)床. 2019(11)
[4]工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及未來(lái)展望[J]. 楊粵東.  電子技術(shù)與軟件工程. 2019(19)
[5]基于EtherCAT分布時(shí)鐘的伺服控制系統(tǒng)研究[J]. 崔海彬,馬鈞華.  輕工機(jī)械. 2019(05)
[6]我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 方大衛(wèi).  電子技術(shù)與軟件工程. 2019(18)
[7]三相電壓型逆變電路驅(qū)動(dòng)控制研究[J]. 張麗紅.  科技視界. 2019(27)
[8]工業(yè)機(jī)器人工作空間求解及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)唯一解的確定[J]. 劉曰濤,沈?qū)毭?楊林,楊正嬌.  組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù). 2019(09)
[9]永磁同步電機(jī)弱磁控制仿真研究[J]. 楊成,羅成,賈蓉,張金亮,高云,王志虎,梁朔,簡(jiǎn)煒.  湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào). 2019(03)
[10]高性能伺服驅(qū)動(dòng)的控制方法研究[J]. 楊紅敏.  機(jī)電信息. 2019(21)

博士論文
[1]六自由度串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究[D]. 劉松國(guó).浙江大學(xué) 2009
[2]永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)控制策略的研究[D]. 林偉杰.浙江大學(xué) 2005

碩士論文
[1]基于動(dòng)力學(xué)模型的工業(yè)機(jī)器人力矩補(bǔ)償控制研究[D]. 林建雄.江南大學(xué) 2019
[2]基于TwinCAT關(guān)節(jié)型機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D]. 張良.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 2019
[3]基于力傳感器的工業(yè)機(jī)器人恒力磨拋系統(tǒng)研究[D]. 高培陽(yáng).華中科技大學(xué) 2019
[4]伺服驅(qū)動(dòng)器電流環(huán)設(shè)計(jì)[D]. 吳志文.西安電子科技大學(xué) 2014
[5]工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃與仿真實(shí)驗(yàn)研究[D]. 張健.浙江工業(yè)大學(xué) 2014
[6]工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 黃文嘉.浙江工業(yè)大學(xué) 2014
[7]六自由度工業(yè)機(jī)器人的建模與仿真研究[D]. 耿磊.東北大學(xué) 2013
[8]基于DSP和FPGA的六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)[D]. 陳禹希.大連理工大學(xué) 2013
[9]永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)矢量控制技術(shù)研究[D]. 李培偉.南京理工大學(xué) 2013
[10]六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定的研究[D]. 龔星如.南京航空航天大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3316320