基于SERCOS Ⅲ的工业机器人嵌入式控制器设计与开发

摘要

随着制造业向着智能化、信息化和自动化方向的不断推进，工业机器人以其灵活、高效率等特点，在工业生产领域得到广泛的应用。控制器作为工业机器人的重要核心部件之一，决定着机器人控制性能的优劣。传统的“PC/IPC+运动控制卡”模式的控制器存在着架构封闭、联动轴数少、布线复杂和传输速率慢等缺点，在现代工业应用中具有一定的局限性。基于嵌入式和实时以太网技术的控制架构更符合当前控制器高速化、数字化、网络化的发展趋势，且具备低成本、低功耗、高性能等特点，有望成为未来工业机器人控制器的主流技术。因此，本文针对基于嵌入式处理器和实时以太网技术的开放式机器人控制器的设计与开发进行系统的研究和探索，具体内容如下:
　　针对工业机器人控制器体系结构进行研究，在综合分析市场主流控制器功能的基础上，采用“嵌入式处理器+实时操作系统+实时以太网”的开放式、总线式架构，搭建了“ARM Cortex处理器+RT-Linux+ SERCOSⅢ”的软、硬件开发平台，并根据模块化设计原则提出了一种五层架构的控制器功能划分方法。
　　针对SERCOSⅢ实时以太网的实现和应用进行研究，选用通用嵌入式通信模块comX作为SERCOSⅢ主站，完成了SERCOSⅢ通信协议的配置和实现，在此基础上将comX作为字符设备，设计并完成了comX在RT-Linux环境下的驱动和应用开发。
　　针对工业机器人运动控制速度规划算法进行研究，利用加减速段的对称性开发实现了七段式S型曲线快速速度规划算法;在此基础上，考虑机器人各关节的同步运动问题，实现了一种关节空间多轴同步速度规划算法，以运动时间最长的轴为参考，对其它轴进行同步规划，以保证各轴同步运行，且运行时间最短。
　　针对工业机器人的轨迹插补算法进行研究，开发实现了关节空间内的PTP插补以及直角空间内的直线和圆弧插补等常规的插补算法。此外，针对复杂曲线插补问题，提出了改进的基于S型曲线的NURBS轨迹插补算法，首先采用改进的Admas微分方程方法对参数进行预估，并根据弦高误差、速度和加速度等约束条件实现了参数的自适应校正;然后采用S型曲线速度规划方法对运动参数进行分段平滑处理，以实现柔性加减速。
　　在上述研究的基础上，本文以六自由度工业机器人“昆山一号”作为控制对象，对文中开发的控制器和控制算法进行测试，实验结果表明了本文所采用方案的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 工业机器人控制器的研究现状

1．2．1 工业机器人控制器体系结构的研究现状

1．2．2 知名工业机器人／控制器厂商控制器研究现状

1．3 工业机器人伺服通信技术的研究现状

1．4 工业机器人轨迹插补算法的研究现状

1．5 现有方法存在的问题

1．6 本论文的主要内容和目标

1．7 本论文的章节安排

第二章 工业机器人控制系统搭建及控制器功能设计

2．1 工业机器人控制系统总体方案设计

2．2 工业机器人控制系统硬件系统搭建

2．2．1 工业机器人控制系统硬件选型

2．2．2 工业机器人控制系统硬件平台设计与搭建

2．3 工业机器人控制系统软件系统搭建

2．3．1 工业机器人控制器实时操作系统的选择

2．3．2 工业机器人控制器实时操作系统的移植

2．4 工业机器人控制器功能设计

2．4．1 工业机器人控制器功能架构设计

2．4．2 工业机器人控制器功能模块设计

2．5 本章小结

第三章 SERCOS Ⅲ技术实现及主站模块驱动开发

3．1 SERCOS Ⅲ实时以太网技术介绍

3．1．1 SERCOS Ⅲ实时以太网拓扑结构

3．1．2 SERCOS Ⅲ实时以太网报文结构

3．1．3 SERCOS Ⅲ实时以太网通信阶段

3．1．4 SERCOS Ⅲ实时以太网通信类型

3．2 嵌入式通信模块comX介绍及参数配置

3．2．1 嵌入式通信模块comX介绍

3．2．2 嵌入式通信模块comX参数配置

3．3 嵌入式通信模块comX在RT-Linux下的驱动开发

3．3．1 Linux系统中设备驱动程序功能介绍

3．3．2 嵌入式通信模块comX驱动程序开发

3．4 嵌入式通信模块comX驱动通信实验

3．4．1 实验平台说明

3．4．2 实验结果

3．5 本章小结

第四章 工业机器人控制器速度规划算法实现

4．1 工业机器人控制器速度规划算法介绍

4．1．1 常见速度规划算法

4．1．2 七段式S型曲线快速规划算法实现

4．2 多轴同步速度规划算法实现

4．3 速度规划算法仿真实验

4．3．1 七段式S型曲线快速规划算法仿真实验

4．3．2 多轴同步速度规划算法仿真实验

4．4 本章小结

第五章 工业机器人控制器轨迹插补算法

5．1 关节空间PTP轨迹插补算法

5．2 直角空间常规轨迹插补算法

5．2．1 直角空间直线插补算法

5．2．2 直角空间圆弧插补算法

5．3 直角空间NURBS插补算法

5．3．1 NURBS曲线定义及性质

5．3．2 NURBS插补算法实现

5．4 实验结果

5．4．1 实验平台说明

5．4．2 PTP插补实验结果

5．4．3 直线插补实验结果

5．4．4 圆弧插补实验结果

5．4．5 NURBS插补实验结果

5．4．6 实验结果分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读硕士期间的研究成果