基于SERCOS Ⅲ的工业机器人嵌入式控制器设计与开发

发布时间：2020-02-04 12:29

【摘要】：随着制造业向着智能化、信息化和自动化方向的不断推进,工业机器人以其灵活、高效率等特点,在工业生产领域得到广泛的应用。控制器作为工业机器人的重要核心部件之一,决定着机器人控制性能的优劣。传统的‘'PC/IPC+运动控制卡”模式的控制器存在着架构封闭、联动轴数少、布线复杂和传输速率慢等缺点,在现代工业应用中具有一定的局限性。基于嵌入式和实时以太网技术的控制架构更符合当前控制器高速化、数字化、网络化的发展趋势,且具备低成本、低功耗、高性能等特点,有望成为未来工业机器人控制器的主流技术。因此,本文针对基于嵌入式处理器和实时以太网技术的开放式机器人控制器的设计与开发进行系统的研究和探索,具体内容如下：针对工业机器人控制器体系结构进行研究,在综合分析市场主流控制器功能的基础上,采用“嵌入式处理器+实时操作系统+实时以太网”的开放式、总线式架构,搭建了"ARM Cortex处理器+RT-Linux+SERCOS Ⅲ"的软、硬件开发平台,并根据模块化设计原则提出了一种五层架构的控制器功能划分方法。针对SERCOS Ⅲ实时以太网的实现和应用进行研究,选用通用嵌入式通信模块comX作为SERCOS Ⅲ主站,完成了SERCOS Ⅲ通信协议的配置和实现,在此基础上将comX作为字符设备,设计并完成了comX在RT-Linux环境下的驱动和应用开发。针对工业机器人运动控制速度规划算法进行研究,利用加减速段的对称性开发实现了七段式S型曲线快速速度规划算法；在此基础上,考虑机器人各关节的同步运动问题,实现了一种关节空间多轴同步速度规划算法,以运动时间最长的轴为参考,对其它轴进行同步规划,以保证各轴同步运行,且运行时间最短。针对工业机器人的轨迹插补算法进行研究,开发实现了关节空间内的PTP插补以及直角空间内的直线和圆弧插补等常规的插补算法。此外,针对复杂曲线插补问题,提出了改进的基于S型曲线的NURBS轨迹插补算法,首先采用改进的Admas微分方程方法对参数进行预估,并根据弦高误差、速度和加速度等约束条件实现了参数的自适应校正；然后采用S型曲线速度规划方法对运动参数进行分段平滑处理,以实现柔性加减速。在上述研究的基础上,本文以六自由度工业机器人“昆山一号”作为控制对象,对文中开发的控制器和控制算法进行测试,实验结果表明了本文所采用方案的有效性和可行性。
【图文】：

工业机器人,机器人,产业链,系统集成

我国正处于从劳动密集型向智能化、信息化的现代制造业转型的重要阶段Ｗ，逡逑工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要设备和工具，在汽车制造、焊接、装配、逡逑喷涂、搬运等作业中得到越来越广泛的应用，如图１－１所示。根据国际机器人联合会（ＩＦＲ）逡逑发布的数据显示Ｗ，２０１３年我国新安装的工业机器人数量超过３．７万台，，首次超越日本逡逑成为世界第一；此外，中国机器人产业联盟（Ｃ民ＩＡ）的数据显示，２０１３年国产工业机器逡逑人的供应量近９千台，销售额是２０１２年的３倍，并且２００８－２０１３年间，我国工业机器逡逑人年均销量X棾ぴ迹常叮ィ既蛳浚玻埃ィひ祷魅艘殉晌夜滦瞬抵弧ｅ义蟇晒逡逑画漏Ｍｉ逡逑似喷涂逦州搬运逡逑图１－１工业机器人的应用实例逡逑从全球范围来看，工业机器人产业链主要由上游核也零部件、中游机器人本体和下逡逑游系统集成组成Ｗ。近年我国工业机器人产业发展迅速，但国内企业主要集中在产业链逡逑的中游和下游，核屯、零部件长期依赖进日，严重制约着国内机器人产业的发展。为了促逡逑进国内机器人产业的进一步发展

运动控制卡,控制卡,系统架构,工业机器人

我国正处于从劳动密集型向智能化、信息化的现代制造业转型的重要阶段Ｗ，逡逑工业机器人作为先进制造业中不可替代的重要设备和工具，在汽车制造、焊接、装配、逡逑喷涂、搬运等作业中得到越来越广泛的应用，如图１－１所示。根据国际机器人联合会（ＩＦＲ）逡逑发布的数据显示Ｗ，２０１３年我国新安装的工业机器人数量超过３．７万台，首次超越日本逡逑成为世界第一；此外，中国机器人产业联盟（Ｃ民ＩＡ）的数据显示，２０１３年国产工业机器逡逑人的供应量近９千台，销售额是２０１２年的３倍，并且２００８－２０１３年间，我国工业机器逡逑人年均销量X棾ぴ迹常叮ィ既蛳浚玻埃ィひ祷魅艘殉晌夜滦瞬抵弧ｅ义蟇晒逡逑画漏Ｍｉ逡逑似喷涂逦州搬运逡逑图１－１工业机器人的应用实例逡逑从全球范围来看，工业机器人产业链主要由上游核也零部件、中游机器人本体和下逡逑游系统集成组成Ｗ。近年我国工业机器人产业发展迅速，但国内企业主要集中在产业链逡逑的中游和下游，核屯、零部件长期依赖进日，严重制约着国内机器人产业的发展。为了促逡逑进国内机器人产业的进一步发展
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242.2

【参考文献】