基于STM32F4的码垛机器人运动控制器研究

发布时间：2017-11-02 01:12

  本文关键词：基于STM32F4的码垛机器人运动控制器研究

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【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。
【关键词】：码垛机器人 运动控制器 微控制器 实时系统
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 引言12
• 1.2 国内外码垛机器人发展现状12-14
• 1.2.1 国外码垛机器人发展现状12-13
• 1.2.2 国内码垛机器人发展现状13-14
• 1.3 国内外运动控制器发展现状14-16
• 1.3.1 国外运动控制器发展现状15-16
• 1.3.2 国内运动控制器发展现状16
• 1.4 研究背景及意义16-17
• 1.5 本文研究内容及章节安排17-19
• 第二章 运动控制器硬件系统研究19-46
• 2.1 引言19
• 2.2 运动控制器硬件架构分析19-21
• 2.3 运动控制器处理器选择21-24
• 2.4 运动控制器各硬件模块设计24-39
• 2.4.1 核心模块24-25
• 2.4.2 数字输入和数字输出模块25-28
• 2.4.3 模拟量输出模块28-31
• 2.4.4 编码器信号接收模块31-34
• 2.4.5 通信模块34-36
• 2.4.6 电源模块36-39
• 2.5 运动控制器印制电路板设计39-41
• 2.6 硬件系统功能验证41-45
• 2.6.1 四路模拟量输出42-44
• 2.6.2 编码器信号接收44-45
• 2.6.3 数字输入信号接收45
• 2.7 本章小结45-46
• 第三章 运动控制器软件系统研究46-66
• 3.1 引言46
• 3.2 机器人软件系统架构研究46-48
• 3.2.1 驱动层47-48
• 3.2.2 运动控制层48
• 3.2.3 任务管理层48
• 3.2.4 用户界面层48
• 3.3 实时操作系统选择与移植48-60
• 3.3.1 实时操作系统的选择49-51
• 3.3.2 μC/OS-III在STM32F4上的移植51-60
• 3.4 控制器软件设计60-63
• 3.5 人机界面设计63
• 3.6 软件系统实时性验证63-65
• 3.7 本章小结65-66
• 第四章 运动控制算法研究与实现66-76
• 4.1 引言66
• 4.2 轨迹规划算法66-72
• 4.3 闭环控制算法72-75
• 4.4 本章小结75-76
• 第五章 运动控制器功能试验与分析76-89
• 5.1 引言76
• 5.2 码垛机器人系统76-83
• 5.2.1 码垛机器人及正逆运动学分析76-82
• 5.2.2 码垛机器人控制系统82-83
• 5.3 机器人手动运行试验及分析83-84
• 5.4 机器人自动运行试验及分析84-88
• 5.4.1 机器人零点复位试验84-86
• 5.4.2 点到点自动运行试验86-88
• 5.5 本章小结88-89
• 第六章 总结和展望89-91
• 6.1 总结89-90
• 6.2 展望90
• 6.3 本章小结90-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-96
• 攻读学位期间的学术成果96

【参考文献】

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本文编号：1129325