机器人轨迹与伺服一体化控制器设计与实现
发布时间：2021-08-01 22:00
目前的工业机器人、多轴数控机床、自动化流水线等需要多个伺服运动控制的系统大多仍采用一个运动控制器或轨迹控制卡加多个伺服驱动器的分布式控制方式,在实际的应用中存在着系统硬件冗余程度高、控制柜体积庞大、内部各个模块连线多且复杂、多轴运动同步性差、价格高昂等问题,所以有必要进一步简化驱动器的系统结构。本文首先通过对机器人正逆运动学建模,对多轴机器人的轨迹规划进行简要分析,从机器人驱控一体化的发展趋势出发设计并实现了具有Ether CAT总线接口,可以同时控制最多8台伺服电机的多轴一体化机器人控制器;采用FPGA+STM32F407的双核模式,使得ARM与可编程逻辑器件优势互补,在一片FPGA内同时实现多轴伺服控制逻辑的同时充分发挥STM32F407的性能,大大缩小了机器人控制器的体积;对消耗较多逻辑资源的模块采用复用的方式,节省了FPGA的逻辑资源;采用纯电阻的隔离式相电流采样方式,提高了电流环的带宽。然后将一体化控制器实际应用到工业六轴机器人的轨迹规划中,采用正弦加减速的运动模型,完成机器人轨迹的平滑运动控制;应用Twin CAT软件平台将控制器驱动机器人运行的实际数据与轨迹算法仿真数据进...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
010-2018年我国工业机器人销量走势图
杭州电子科技大学硕士学位论文2产厂家往往不能掌握一整套机器人控制系统中的所有核心技术，因此采用各个模块分开进购最后组装到一个庞大的机器人控制柜里面的方式，这种组装式的结构往往在模块间需要大量的连线且各个模块都有自己独立的处理器。而机器人在运动控制过程中需要十分高的多轴协同性，这种多核分布式的控制方式不可避免会导致整个控制系统的高延时。同时在控制柜内还要配备有总的功率电源以及额外的IO控制器，整机臃肿且庞大，内部连线多且复杂，一但机器发生故障，对于维护人员来说也是一个非常头疼的问题。图1.2(b)为集成式的机器人控制器架构，也是本设计中所采用的架构。这种结构中，整套系统内几乎无额外连线，系统内所有电源线与控制信号都通过电路板连接，这种结构不尽可以大大缩小控制器的体积和重量，而且能够将硬件冗余降到最低。这种控制器结构未来将大规模用于轻量化工业机器人和移动机器人等应用场合。分立式机器人控制柜分立式控制柜体积庞大一体化控制器体积缩小70%(a)(b)图1.2机器人控制器架构对比本课题所设计的轨迹与伺服一体化控制器最多可同时驱动8台伺服电机，整机直流母线电源由同一个电源整流滤波来提供，系统中仅采用一片FPGA加一片STM32F407来实现多轴伺服驱动功能。控制器其中集成小型PC工控机作为机器人运动控制与轨迹规划的实现单元。现将本课题所设计控制器对比分立式控制器的优势罗列如下：(1)控制器中所有板卡均通过板到板接插件连接，板卡垂直安插在主控与电源母板上，大大缩小了一体化控制的体积，且有着良好的散热性能；用一片FPGA芯片作为多轴伺服主控单元，减少复杂连线与硬件冗余，节省成本。(2)控制器内板级高低压电源、控制信号与高压驱动信号完全电气隔离，整机结构虽然紧凑，但?
杭州电子科技大学硕士学位论文3能力和同步性能，并且利用FPGA的有限状态机可以有效处理程序运行中的错误，保证系统运行时的底层软件稳定性。(4)功率板卡通过插拔方式固定在底板上，若所驱动机器人有变化可以直接更换对应功率的板卡，对于控制系统具有良好的兼容性。板卡的更换以及维护方便，因而具有较强的灵活匹配性。(5)伺服系统采用FPGA+STM32F407的双核结构，可以充分发挥两个芯片各自的优势，弥补对方的不足。(6)系统配备EtherCAT高速工业以太网总线接口，可以多机多设备串联使用[7]。如图1.3所示，一个主站将多套控制器通过网线串联就可以同时控制多个机器人，增加了系统的可扩展性和二次开发的便捷程度[8]。主站从站1从站2从站n...EtherCAT总线图1.3机器人一主多从控制架构1.2工业机器人控制系统概述一个完整的工业机器人控制系统中包含了多个学科的高新技术，集机械、材料、电子、自动化于一身[9]。从机器人的人机示教开始到最底层的伺服驱动再到外围的多种传感器，每一个层级都要经过大量的信息交互与数据吞吐。正因如此，工业机器人站在了工业自动化金字塔的最顶端。随着人力成本的增加与生产效率要求的提升，形形色色的工业机器人控制系统应运而生，各自扮演着不同的角色工作在高精尖的自动化领域。工业机器人形式多样，从最基本的直角坐标系机器人到工业六轴机器人再到多臂冗余式协作机器人，机器人的关节与自由度越来越多，能够触及的空间与作业的灵活程度也越来越高。机器人控制器作为机器人控制系统的核心，负责从最初的人机轨迹输入或示教到最后机械臂实际运行的所有驱动环节的控制，是整个机器人控制系统中开发难度最大也是技术含量最高的一部分。1.2.1多轴工业机器人组成工业机器人主要应用在工业、制造业甚至?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM+FPGA的数字交流伺服驱动器设计[J]. 支萌辉,尹泉,吕松垒,华强. 电气传动. 2020(09)
[2]工业机器人与视觉系统的集成研究[J]. 张明奎. 南方农机. 2019(21)
[3]多机器人协同系统的研究综述及发展趋势[J]. 包翔宇,曹学鹏,张弓,王建,侯志丞,梁济民,徐征,王卫军,杨文林,韩彰秀. 制造技术与机床. 2019(11)
[4]工业机器人的现状及未来展望[J]. 杨粤东. 电子技术与软件工程. 2019(19)
[5]基于EtherCAT分布时钟的伺服控制系统研究[J]. 崔海彬,马钧华. 轻工机械. 2019(05)
[6]我国工业机器人的现状及发展趋势[J]. 方大卫. 电子技术与软件工程. 2019(18)
[7]三相电压型逆变电路驱动控制研究[J]. 张丽红. 科技视界. 2019(27)
[8]工业机器人工作空间求解及逆运动学唯一解的确定[J]. 刘曰涛,沈宝民,杨林,杨正娇. 组合机床与自动化加工技术. 2019(09)
[9]永磁同步电机弱磁控制仿真研究[J]. 杨成,罗成,贾蓉,张金亮,高云,王志虎,梁朔,简炜. 湖北汽车工业学院学报. 2019(03)
[10]高性能伺服驱动的控制方法研究[J]. 杨红敏. 机电信息. 2019(21)
博士论文
[1]六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D]. 刘松国.浙江大学 2009
[2]永磁同步电机伺服系统控制策略的研究[D]. 林伟杰.浙江大学 2005
硕士论文
[1]基于动力学模型的工业机器人力矩补偿控制研究[D]. 林建雄.江南大学 2019
[2]基于TwinCAT关节型机器人控制系统研究[D]. 张良.沈阳工业大学 2019
[3]基于力传感器的工业机器人恒力磨抛系统研究[D]. 高培阳.华中科技大学 2019
[4]伺服驱动器电流环设计[D]. 吴志文.西安电子科技大学 2014
[5]工业机器人轨迹规划与仿真实验研究[D]. 张健.浙江工业大学 2014
[6]工业机器人运动控制系统的研究与设计[D]. 黄文嘉.浙江工业大学 2014
[7]六自由度工业机器人的建模与仿真研究[D]. 耿磊.东北大学 2013
[8]基于DSP和FPGA的六自由度工业机器人运动控制器设计[D]. 陈禹希.大连理工大学 2013
[9]永磁同步电机伺服系统矢量控制技术研究[D]. 李培伟.南京理工大学 2013
[10]六自由度工业机器人运动学标定的研究[D]. 龚星如.南京航空航天大学 2012
本文编号：3316320
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：89 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
010-2018年我国工业机器人销量走势图
杭州电子科技大学硕士学位论文2产厂家往往不能掌握一整套机器人控制系统中的所有核心技术，因此采用各个模块分开进购最后组装到一个庞大的机器人控制柜里面的方式，这种组装式的结构往往在模块间需要大量的连线且各个模块都有自己独立的处理器。而机器人在运动控制过程中需要十分高的多轴协同性，这种多核分布式的控制方式不可避免会导致整个控制系统的高延时。同时在控制柜内还要配备有总的功率电源以及额外的IO控制器，整机臃肿且庞大，内部连线多且复杂，一但机器发生故障，对于维护人员来说也是一个非常头疼的问题。图1.2(b)为集成式的机器人控制器架构，也是本设计中所采用的架构。这种结构中，整套系统内几乎无额外连线，系统内所有电源线与控制信号都通过电路板连接，这种结构不尽可以大大缩小控制器的体积和重量，而且能够将硬件冗余降到最低。这种控制器结构未来将大规模用于轻量化工业机器人和移动机器人等应用场合。分立式机器人控制柜分立式控制柜体积庞大一体化控制器体积缩小70%(a)(b)图1.2机器人控制器架构对比本课题所设计的轨迹与伺服一体化控制器最多可同时驱动8台伺服电机，整机直流母线电源由同一个电源整流滤波来提供，系统中仅采用一片FPGA加一片STM32F407来实现多轴伺服驱动功能。控制器其中集成小型PC工控机作为机器人运动控制与轨迹规划的实现单元。现将本课题所设计控制器对比分立式控制器的优势罗列如下：(1)控制器中所有板卡均通过板到板接插件连接，板卡垂直安插在主控与电源母板上，大大缩小了一体化控制的体积，且有着良好的散热性能；用一片FPGA芯片作为多轴伺服主控单元，减少复杂连线与硬件冗余，节省成本。(2)控制器内板级高低压电源、控制信号与高压驱动信号完全电气隔离，整机结构虽然紧凑，但?
杭州电子科技大学硕士学位论文3能力和同步性能，并且利用FPGA的有限状态机可以有效处理程序运行中的错误，保证系统运行时的底层软件稳定性。(4)功率板卡通过插拔方式固定在底板上，若所驱动机器人有变化可以直接更换对应功率的板卡，对于控制系统具有良好的兼容性。板卡的更换以及维护方便，因而具有较强的灵活匹配性。(5)伺服系统采用FPGA+STM32F407的双核结构，可以充分发挥两个芯片各自的优势，弥补对方的不足。(6)系统配备EtherCAT高速工业以太网总线接口，可以多机多设备串联使用[7]。如图1.3所示，一个主站将多套控制器通过网线串联就可以同时控制多个机器人，增加了系统的可扩展性和二次开发的便捷程度[8]。主站从站1从站2从站n...EtherCAT总线图1.3机器人一主多从控制架构1.2工业机器人控制系统概述一个完整的工业机器人控制系统中包含了多个学科的高新技术，集机械、材料、电子、自动化于一身[9]。从机器人的人机示教开始到最底层的伺服驱动再到外围的多种传感器，每一个层级都要经过大量的信息交互与数据吞吐。正因如此，工业机器人站在了工业自动化金字塔的最顶端。随着人力成本的增加与生产效率要求的提升，形形色色的工业机器人控制系统应运而生，各自扮演着不同的角色工作在高精尖的自动化领域。工业机器人形式多样，从最基本的直角坐标系机器人到工业六轴机器人再到多臂冗余式协作机器人，机器人的关节与自由度越来越多，能够触及的空间与作业的灵活程度也越来越高。机器人控制器作为机器人控制系统的核心，负责从最初的人机轨迹输入或示教到最后机械臂实际运行的所有驱动环节的控制，是整个机器人控制系统中开发难度最大也是技术含量最高的一部分。1.2.1多轴工业机器人组成工业机器人主要应用在工业、制造业甚至?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ARM+FPGA的数字交流伺服驱动器设计[J]. 支萌辉,尹泉,吕松垒,华强. 电气传动. 2020(09)
[2]工业机器人与视觉系统的集成研究[J]. 张明奎. 南方农机. 2019(21)
[3]多机器人协同系统的研究综述及发展趋势[J]. 包翔宇,曹学鹏,张弓,王建,侯志丞,梁济民,徐征,王卫军,杨文林,韩彰秀. 制造技术与机床. 2019(11)
[4]工业机器人的现状及未来展望[J]. 杨粤东. 电子技术与软件工程. 2019(19)
[5]基于EtherCAT分布时钟的伺服控制系统研究[J]. 崔海彬,马钧华. 轻工机械. 2019(05)
[6]我国工业机器人的现状及发展趋势[J]. 方大卫. 电子技术与软件工程. 2019(18)
[7]三相电压型逆变电路驱动控制研究[J]. 张丽红. 科技视界. 2019(27)
[8]工业机器人工作空间求解及逆运动学唯一解的确定[J]. 刘曰涛,沈宝民,杨林,杨正娇. 组合机床与自动化加工技术. 2019(09)
[9]永磁同步电机弱磁控制仿真研究[J]. 杨成,罗成,贾蓉,张金亮,高云,王志虎,梁朔,简炜. 湖北汽车工业学院学报. 2019(03)
[10]高性能伺服驱动的控制方法研究[J]. 杨红敏. 机电信息. 2019(21)
博士论文
[1]六自由度串联机器人运动优化与轨迹跟踪控制研究[D]. 刘松国.浙江大学 2009
[2]永磁同步电机伺服系统控制策略的研究[D]. 林伟杰.浙江大学 2005
硕士论文
[1]基于动力学模型的工业机器人力矩补偿控制研究[D]. 林建雄.江南大学 2019
[2]基于TwinCAT关节型机器人控制系统研究[D]. 张良.沈阳工业大学 2019
[3]基于力传感器的工业机器人恒力磨抛系统研究[D]. 高培阳.华中科技大学 2019
[4]伺服驱动器电流环设计[D]. 吴志文.西安电子科技大学 2014
[5]工业机器人轨迹规划与仿真实验研究[D]. 张健.浙江工业大学 2014
[6]工业机器人运动控制系统的研究与设计[D]. 黄文嘉.浙江工业大学 2014
[7]六自由度工业机器人的建模与仿真研究[D]. 耿磊.东北大学 2013
[8]基于DSP和FPGA的六自由度工业机器人运动控制器设计[D]. 陈禹希.大连理工大学 2013
[9]永磁同步电机伺服系统矢量控制技术研究[D]. 李培伟.南京理工大学 2013
[10]六自由度工业机器人运动学标定的研究[D]. 龚星如.南京航空航天大学 2012
本文编号：3316320
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/3316320.html
