基于工控机和DSP的关节机器人控制器研究

摘要

工业机器人随着数字信号处理技术和计算机技术的发展得到越来越广泛的应用。在六自由度机器人群体中，关节型机器人以工作范围大、动作灵活、结构紧凑、能抓取靠近机座的物体等特点备受设计者和使用者的青睐。本课题设计的六自由度关节型机器人既可以用于实际生产，也可以用于教学和科研。
　　 首先，本文介绍了工业机器人技术和机器人控制器技术的应用和发展，给出了本课题研究的机器人对象。随后本文对机器人的机构可行方案进行了充分论证，在此基础上运用D-H方法进行了机器人的运动学分析并采用关节空间法详细规划了机器人的运动轨迹。
　　 其后，本文探讨了机器人运动学正逆解求解方法，详细地讨论了其中的PID算法。通过对控制方案进行比较和对芯片进行选型，确定了基于PCI总线的IPC（工控机）和DSP两级机器人伺服控制方案。DSP运动控制卡以TI公司的浮点型信号处理器TMS320LF4207作为控制核心，用CPLD设计伺服电机的码盘信号接收电路，用数模转换器DAC7725提供伺服电机的转速给定值，构成了伺服电机的位置闭环系统。上位机实现机器人参数给定、命令控制、人机接口、上层路径规划等功能。PCI总线选用PLX公司的从模式芯片PCI9052作为桥接芯片。编写了针对PCI9052的WDM驱动程序，实现了工控机和DSP运动控制卡的正常通讯。
　　 在本文的最后，设计了关节调试程序，至此成功地搭建了6关节机器人控制系统的平台，为以后进一步的的科研和应用打下了的基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1引言

1.2机器人控制器的应用和发展

1.3开放式机器人控制系统的方案

1.3.1开放式控制系统的特征

1.3.2开放式机器人控制系统的优点

1.3.3基于PC的开放式控制系统的实现模式

1.4本课题的研究对象和内容

2 机器人结构设计

2.1机器人的工作要求

2.2机器人结构方案的对比分析及选择

2.2.1腰部回转关节

2.2.2大臂和小臂回转示意图：

2.2.3腕部活动关节

2.3机器人驱动方案的对比分析及选择：

2.4本章小结

3 机器人运动学分析及运动控制技术研究

3.1关节机器人运动学

3.1.1机器人运动方程

3.1.2构件坐标系的确定

3.1.3构件参数的确定

3.1.4变换矩阵的建立

3.1.5建立正运动学数学模型

3.2机器人的轨迹

3.2.1机器人轨迹规划方法

3.2.2关节空间法

3.3运动控制技术概述

3.4交流伺服系统的控制技术

3.4.1位置控制

3.4.2速度控制

3.4.3转矩控制

3.5控制算法的实现

3.5.1数字PID算法

3.5.2直线插补算法

3.6 PID模糊融合控制

3.6.1模糊控制的基本原理

3.6.2控制方法融合的基本思想

3.7本章小结

4 TMS320LF2407运动控制卡硬件电路设计

4.1运动控制卡硬件电路的总体设计思想

4.2 DSP芯片的特点和功能分析

4.2.1 DSP芯片的特点

4.2.2面向电机控制的DSP芯片

4.3芯片各个功能模块分析

4.3.1 CPLD计数模块

4.3.2 DSP-PC机通讯电路

4.3.3扩展RAM电路

4.3.4 DSP接口电路

4.3.5数／模转换输出电路

4.4本章小结

5 软件设计及应用

5.1控制软件设计的思路

5.2对函数进行初始化

5.3 WDM驱动程序

5.3.1 WDM构架

5.3.2使用DriverStudio2.7开发WDM驱动程序

5.4软件开放式功能的实现

5.4.1动态链接库(DLL)

5.4.2动态链接库的设计

5.4.3用动态链接库实现开放式功能

5.5上下位机通讯模块

5.5.1上下位机通讯技术

5.5.2上位机与下位机的通讯

5.6在系统可编程逻辑器件

5.6.1可编程逻辑器件ISP

5.6.2硬件描述语言VHDL

5.7本章小结

6 机器人控制系统的调试

6.1机器人调试要点

6.1.1模式开关

6.1.2增益切换

6.1.3自动调谐

6.2单关节测试程序调试

6.3双关节测试

6.4本章小结

7 全文总结与展望

7.1全文总结

7.2展望

参考文献

致谢

附录

攻读学位期间发表的学术论文目录