基于STM32F4的码垛机器人运动控制器研究

摘要

在自动化生产水平不断提高的今天，码垛机器人在提高生产效率和减少人力成本上的作用日益凸显。国内对码垛机器人的研究取得了许多成果，但在运动控制器的研究上与国外仍然存在较大差距。运动控制器过高的研发成本使得许多机器人公司一直采用国外品牌的运动控制器，这限制了国内机器人系统成本的降低和核心技术的掌握。针对这一现状，需要对运动控制器软硬件架构进行研究，在保证对码垛机器人运动控制的同时研究降低运动控制器的研发、使用和升级成本以及开发难度的解决方案，给国内自主知识产权运动控制器发展提供新的可行的方向。
　　本论文面向码垛机器人的运动控制需求，研究运动控制器软硬件架构，在保证达到控制要求的情况下研究如何降低研发和制造成本，设计低成本的运动控制器。首先，研究运动控制器硬件架构，提出以STM32F4微控制器为核心的控制电路板方案，并采用模块化方法进行设计，同时充分考虑工业应用要求，选用工业级的芯片，并对输入输出接口进行隔离设计。相比于目前商用运动控制器精简了电路，有效降低了电路板设计和制造成本。针对STM32F4微控制器特性进行机器人开放式软件系统研究，使用μC/OS-III嵌入式实时操作系统进行运动控制器软件系统搭建，保证系统的实时性和多任务并行处理能力，使用通用C语言进行软件系统各层次的代码编写，降低了研发难度和成本。同时设计基于WPF框架的人机界面程序，可通过上位机向运动控制器下发指令和监控系统状态。针对码垛机器人点到点运动要求，实现适用于微控制器实时运算的轨迹规划及闭环控制算法，并对运动控制器进行试验。结果证明开发的低成本运动控制器能够实现对码垛机器人运行的控制，码垛机器人在运动过程中运行平稳并具有很高的重复定位精度。本文的研究为国内码垛机器人运动控制器的发展提供了一个可行的思路和方案。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外码垛机器人发展现状

1.3 国内外运动控制器发展现状

1.4 研究背景及意义

1.5 本文研究内容及章节安排

第二章 运动控制器硬件系统研究

2.1 引言

2.2 运动控制器硬件架构分析

2.3 运动控制器处理器选择

2.4 运动控制器各硬件模块设计

2.5 运动控制器印制电路板设计

2.6 硬件系统功能验证

2.7 本章小结

第三章 运动控制器软件系统研究

3.1 引言

3.2 机器人软件系统架构研究

3.3 实时操作系统选择与移植

3.4 控制器软件设计

3.5 人机界面设计

3.6 软件系统实时性验证

3.7 本章小结

第四章 运动控制算法研究与实现

4.1 引言

4.2 轨迹规划算法

4.3 闭环控制算法

4.4 本章小结

第五章 运动控制器功能试验与分析

5.1 引言

5.2 码垛机器人系统

5.3 机器人手动运行试验及分析

5.4 机器人自动运行试验及分析

5.5 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

6.3 本章小结

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果