基于USB接口的通用型主手控制器的研究与开发

摘要

遥操作机器人由于可以代替人在极限环境下进行作业而受到越来越多的重视，而通用型主手控制器的研制对于遥操作机器人的广泛运用具有十分重要的意义。本论文以山东科技大学机器人研究中心承担的国家863课题“配电带电作业机器人”、“10KV电力线路带电作业机器人”和山东省重大科技项目“新型带电作业机器人”为立项背景，对遥操作机器人主手控制器进行深入的研究，设计了一套基于USB接口的通用型主手控制器，和主手本体构成通用型主手，可运用于各种遥操作机器人的实际应用和虚拟环境建模。
　　此通用型主手控制器能够应用于各种不同自由度配置的主手，且其采用新型的通信标准 USB，即插即用、性能可靠、且价格适中。而原有的主手控制器大多是基于PCI和ISA插槽，存在安装麻烦、价格昂贵、可扩展性差，在一些电磁干扰性强的测试现场，无法专门对其做电磁屏蔽使数据失真等缺点。
　　本文首先研究遥操作机器人的系统构成，分析主手控制器在其中的作用，接着详细论述了此通用型主手控制器的硬件设计方案，包括模数转换模块、数字信号处理模块、USB接口电路、电源管理模块等。并且对系统所使用的主要芯片和相关技术做了详细的说明。
　　本文对VHDL程序、固件程序、设备驱动程序、客户端应用程序进行了开发，然后对整套主手控制器进行了软硬件的联合调试，经过对所采数据分析表明其均已达到设计要求，并将在我实验室研制的带电作业机器人上实际运行。

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Contents

1 绪论

1.1引言

1.2 通用串行总线（USB）的发展

1.3 基于USB的工业产品的发展

1.4 基于USB的主手控制器的特点

1.5 择题背景和必要性

1.6 本论文的主要研究内容

2 通用型主手控制器的原理和方案选择

2.1 遥操作机器人系统分析

2.2 主手控制器方案选择

2.3 USB总线技术

2.4 可编程逻辑设计技术简介

2.5“单片机＋CPLD体系结构”的特点

2.6 本章小结

3通用型主手控制器硬件开发

3.1元器件的选型

3.2 硬件电路各功能模块分析

3.3 PCB设计

3.4 本章小结

4通用型主手控制器设备端软件开发

4.1 CPLD软件设计

4.2 固件程序开发

4.3 本章小结

5 通用型主手控制器主机端软件开发

5.1 WDM驱动程序

5.2 USB驱动程序

5.3 应用程序

5.4 应用程序与USB驱动程序的通信

5.5 本章小结

6 实验

6.1 实验过程

6.2 实验结果

6.3 本章小结

7 结论

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录一