工业机器人开放式控制系统的研究

论文摘要

机器人学综合了机械学、电子学、计算机科学、自动控制工程、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果,代表了机电一体化的最高成就,因此对机器人的教学,无论对于机电一体化的学习还是机器人的普及都有着重要的意义。本文的研究内容是针对Cincinnati T3-746工业机器人设计一套开放性好,成本低廉的机电一体化控制系统,并在此平台上,开发一系列演示实验,供机器人教学使用。本文首先对Cincinnati T3-746机器人进行了运动学和动力学建模,针对控制模型对控制系统实时性的要求,并结合控制系统开放性的思想,提出了可能的软件实现和硬件实现方案。在此基础上,针对本机器人提出了PC机+接口卡+多DSP的新型硬件结构方案。结合机器人本身的驱动系统和传感器,设计了具有RS485通信功能、4路PWM输出以及旋转变压器模数转换功能的单轴伺服运动控制卡;利用XR17D158芯片设计了PCI-485接口卡,并在DriverSudio环境下开发出了它的设备驱动程序。机器人低速平稳运行时,惯性力、离心力和哥氏力可忽略不计,此时机器人动态性能和稳定性主要受重力和摩擦力等的影响。本文详细分析了各关节在运动过程中重力矩和摩擦力矩的变化规律,设计了对应的重力补偿器和摩擦力矩补偿器。在此基础上,设计了PD控制器完成位置闭环伺服控制功能。最后通过点位控制实验,验证了控制系统硬件和底层伺服控制软件的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 工业机器人开放式控制系统综述
• 1.2.1 开放式控制系统的定义
• 1.2.2 国外开放式控制系统现状分析
• 1.2.3 国内开放式控制系统现状分析
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 开放式控制系统方案的确定
• 2.1 引言
• 2.2 机器人运动学分析
• 2.3 机器人动力学分析及建模
• 2.3.1 机器人动力学分析
• 2.3.2 机器人控制模型的建立
• 2.4 开放式控制系统硬软件需求分析
• 2.4.1 开放式控制系统硬件需求分析
• 2.4.2 开放式控制系统软件需求分析
• 2.5 机器人开放式控制系统硬件技术
• 2.6 本章小结
• 第3章 基于DSP的运动控制卡的设计
• 3.1 引言
• 3.2 DSP芯片选择
• 3.3 DSP伺服运动控制卡的设计
• 3.3.1 最小系统设计
• 3.3.2 通信部分电路设计
• 3.3.3 其它功能引脚的处理
• 3.4 位置反馈系统研究
• 3.4.1 硬件电路设计
• 3.4.2 滤波方法研究及测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 PCI接口卡及驱动程序的开发
• 4.1 引言
• 4.2 接口卡方案论证
• 4.3 接口卡硬件设计
• 4.3.1 总体设计
• 4.3.2 电源模块
• 4.3.3 PCI接口模块
• 4.3.4 RS485 传输接口模块
• 4.3.5 PCB板设计
• 4.4 接口板WDM驱动程序的研究
• 4.4.1 开发工具比较分析
• 4.4.2 WDM驱动程序设计
• 4.4.3 应用程序设计
• 4.5 本章小结
• 第5章 机器人点位控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 控制器的简化
• 5.3 摩擦补偿研究
• 5.4 重力补偿研究
• 5.5 伺服控制软件的研究
• 5.5.1 下位机伺服控制程序研究
• 5.5.2 上位机人机交互界面设计
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历