针对主从式机器人系统的多轴运动控制器的研究

摘要

多轴运动控制器是复杂运动控制系统的核心部件。在由嵌入式技术构造的运动控制系统中，运动控制器通过标准协议(USB2.0，RS232等)与上位机进行数据交互，以实现系统的监控和状态设置。另一方面，运动控制器与执行部件之间的电气接口保证了系统控制信息到执行部件的传递。本文在国家863计划资助课题“腹腔微创手术机器人系统”的研究背景下，系统的开发了较为通用的多轴运动控制器。对于该自主研发的运动控制器，针对其硬件、软件架构，主要完成了如下内容：
　　 ⑴分析了通用型运动控制器的功能需求，在此基础上，把握了微电子信息技术、工业自动化技术在近几年的发展趋势，采用了DSP+FPGA的架构设计了多轴运动控制器，并在控制器集成了通讯端口、模型计算、电机闭环控制、执行机构接口连接等必需的运动控制模块。
　　 ⑵设计并实现了用于数据传输的通讯端口。在分析了软件实现通讯任务的缺点后，采用Verilog-HDL语言设计了通讯端口的时序硬件电路模块，在FPGA中完成了控制器通讯任务，提高了总线利用效率并减轻了DSP的程序负担。
　　 ⑶研究了运动控制器与直流电机的驱动接口。设计了模拟、数字信号接口电路，其中模拟接口电路完成了模拟电压的放大、调整和滤波，数字信号接口电路可以完成输入信号的整形、隔离、缓冲，从而实现了运动控制器与驱动器接口的电平匹配和安全保护。
　　 ⑷完成了多轴运动控制器在“腹腔微创手术机器人系统”中的应用实验。首先提出串行驱动接口的方案，解决了控制器与驱动器接线复杂的问题；其次，以一个主操作手和一个图像臂为被控对象，利用运动控制器实现了控制频率为1KHZ的主从跟随控制，满足系统的要求；最后，针对多操作臂的机器人系统，设计了模式切换电路，由于切换代码唯一，安全性和稳定性高。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

第一节 运动控制器应用前沿

第二节 运动控制器发展以及现状

1.2.1 运动控制器的由来

1.2.2 运动控制器的发展

1.2.3 运动控制器的实现

第三节 研究内容与章节安排

1.3.1 本文完成的主要工作

1.3.2 本文的章节安排

第二章 项目需求分析与控制系统方案设计

第一节 微创手术机器人系统结构

第二节 微创手术机器人系统控制需求

2.2.1 手臂运动控制器设计

2.2.2 控制系统方案设计

第三节 运动控制器硬件设计

2.3.1 核心硬件设计

2.3.2 外设功能模块

第三章 运动控制器通讯端口的设计与实现

第一节 运动控制器通讯端口的方案设计

3.1.1 通讯方案的选择

3.1.2 CAN总线原理

第二节 运动控制器通讯端口的硬件设计

3.2.1 通讯端口协议控制器

3.2.2 通讯端口的硬件电路

第三节 运动控制器通讯端口驱动程序设计

3.3.1 协议控制器接口时序

3.3.2 通讯端口的辅助译码逻辑

3.3.3 通讯端口的软件操作流程

第四节 运动控制器通讯端口的时序电路设计

3.4.1 三段式状态机

3.4.2 接口时序的电路描述

3.4.3 通讯端口在FPGA中的实现

第五节 运动控制器通讯端口测试

第四章 运动控制器电机控制模块与驱动接口设计

第一节 运动控制器的D/A功能设计与实现

4.1.1 D/A硬件电路设计

4.1.2 D/A模块的逻辑接口设计

4.1.3 D/A模块的软件操作流程

第二节 模拟接口电路设计与实现

4.2.1 模拟电压输入电路设计与实现

4.2.2 模拟电压输出电路设计与实现

第三节 数字接口电路设计与实现

4.3.1 电机控制信号输出电路

4.3.2 码盘脉冲信号采集电路

第五章 运动控制器实验结果与分析

第一节 串行驱动接口

5.1.1 串行驱动接口的提出

5.1.2 串行驱动接口的解决方案

5.1.3 串行驱动接口实验结果

第二节 主从跟随控制

5.2.1 机械结构及其模型计算

5.2.2 主从跟随控制实验说明

5.2.3 主从跟随控制实验结果

第三节 多运动控制器网络

5.3.1 多控制器网络的提出与解决方案

5.3.2 切换电路设计与实验结果

第六章 总结与展望

第一节 已完成工作总结

第二节 后续工作展望

参考文献

致谢

个人简历