基于Ethercat总线的多轴机器人半实物仿真研究

摘要

随着现代工业技术的不断发展，工业机器人广泛运用在各个领域，但工业机器人硬件开发相比于软件开发成本较高、周期长，无法满足当下机器人的快速开发需求，同时日益复杂的工业环境使得工业机器人对工业总线控制的精度和实时性有了更高的要求。在此大背景下，本论文基于EtherCAT工业实时以太网总线，搭建了多轴机器人的半实物仿真平台。　　首先，对EtherCAT的通信原理和同步方式进行了介绍。为了简化多轴机器人硬件模型，本文设计了基于LAN9252和STM32的从站控制板，详细分析了从站设计电路，此外，文中分析并应用了CIA402协议。　　在上位机的TwinCAT主站方面，除了设置与从站的I/O接口外，还添加了6个NC虚拟轴，利用C++语言的高效性，将多轴机器人的逆解运算进行了封装和调用，并通过对PLC工程文件的编程实现了NC轴的控制。通过EtherCAT总线通信，将6个虚拟轴的控制数据发送到从站STM32中，再通过RS232串口将控制数据发送到下位机的多轴机器人仿真模型中。为满足自主EtherCAT主站开发与设计，搭建了基于BeagleBoneBlack的Linux嵌入式主站，实现了Linux系统下的主从通信。　　下位机部分采用MATLAB平台中的Robtictoolbox工具箱搭建常用的PUMA560机器人模型，依据其固有的机械特性建立D-H参数，通过所建立的参数进行正逆运动学问题的求解，在MATLAB中搭建机器人仿真模型，并通过模型进行了对正、逆运动学问题的验证。　　最后，将搭建的机器人控制主站、通信从站及机器人仿真模型连接起来，通过TwinCAT验证整个EtherCAT网络的实时性、稳定性；通过TwinCAT虚轴运动数据与MATLAB接受到的运动数据进行对比，观察机器人模型的运动状态。实现了主站对机器人仿真模型的控制，搭建的平台运行稳定，机器人运动轨迹符合预期设定，满足了仿真的要求。

目录

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第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外多轴机器人研究现状

1.3实时工业以太网概述

1.4主流实时工业以太网

1.5国内外EtherCAT技术应用与研究现状

1.6 论文主要内容

第二章 仿真平台设计与EtherCAT运行原理

2.1 仿真平台设计

2.1.1 主站设计方案

2.1.2 从站设计方案

2.1.3 MATLAB机器人仿真模型

2.2 EtherCAT系统组成

2.3通讯模式

2.4同步方式

2.5 本章小结

第三章 EtherCAT从站设计

3.1EtherCAT从站总体结构

3.2 EtherCAT从站通信板硬件设计

3.2.1 LAN9252供电电路设计

3.2.2 LAN9252时钟电路设计

3.2.3 LAN9252储存单元电路设计

3.2.4通信接口电路设计

3.3 EtherCAT从站控制板硬件设计

3.3.1 STM32供电电路

3.3.2 系统外部时钟和复位电路

3.3.3 JTAG下载电路

3.3.4 串口通信电路

3.3.5 板间接口电路

3.4 EtherCAT从站软件设计

3.4.1 EtherCAT从站软件协议框架

3.4.2 EtherCAT应用层主函数

3.4.3 从站状态机的设计与实现

3.4.4 从站非周期性数据通信设计与实现

3.4.5 从站周期性数据通信设计与实现

3.5对象字典的设计

3.6 CiA402协议

3.7 本章小结

第四章 EtherCAT主站的搭建与配置

4.1 TwinCAT主站配置与搭建

4.1.1 主站配置

4.1.2 TwinCAT PLC工程搭建

4.2 Linux主站配置与搭建

4.2.1 Linux的嵌入式平台BeagleBone Black

4.2.2 设备配置

4.2.3 实时操作系统Xenomai

4.2.4 操作系统的搭建

4.2.5 主站协议栈设置

4.3 本章小结

第五章 多轴机器人的运动学分析及仿真搭建

5.1 运动学分析概述

5.2 机器人位置姿态描述和齐次变换

5.3机器人正运动学求解

5.4机器人逆运动学求解

5.5建立仿真模型验证

5.5.1 PUMA560仿真模型建立

5.5.2 正运动学仿真分析验证

5.5.3 逆运动学仿真分析验证

5.6轨迹规划

5.7本章小结

第六章 实验平台的搭建与系统测试

6.1 系统测试平台的搭建

6.2 主从站通信测试

6.2.1 EtherCAT状态转换测试

6.2.2 CiA402通信

6.2.3 主从系统性能测试

6.3 多轴机器人仿真测试

6.3.1 单轴运动测试

6.3.2 多轴运动测试

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢