机器人作为未来自动化发展的方向,一直以来都是人们研究探讨的热点。工业机器人作为最典型的机电一体化控制系统已被广泛应用于工业生产、机械制造、航空航天等领域。机器人控制技术发展水平在很大程度上体现了一个国家的工业自动化能力。位置和姿态控制技术是研究机器人控制的核心,直接决定了机器人能否快速而精确的执行某个操作。因此,研究机器人位置和姿态对机器人控制有着至关重大的意义。首先,本文研究和分析了国内外机器人发展现状和结构形式,采用六自由度机器人作为研究对象。根据D-H坐标系对机器人建立正运动学方程和逆运动学方程,给出一种高效的逆解选取方法,并对机器人进行轨迹规划。其次,对课题的实际应用功能和整个系统的软硬件模块结构进行分析。本机器人控制系统采用MCU+DSP+FPGA的三核硬件架构:MCU控制器采用STM32F429IGT6,主要负责外围通信、代码解析编译、人机交互和任务调度;DSP处理器采用TMS320C6747,主要负责插补程序的运算;FPGA逻辑器件采用EP3C16Q240C8,主要负责控制用户IO口、六个伺服电机的脉冲量同步输出和编码器反馈输入。硬件电路分成主控板、伺服驱动板、底板、接口板和液晶按键板:主控板主要用来完成系统的代码编辑解析、任务调度切换和插补算法等功能;伺服驱动板主要完成伺服脉冲信号的差分发送和编码器反馈信号的差分接收功能;底板主要用于板子的固定和插槽的安装;接口板主要用于信号接口的统一输入输出;液晶按键板主要完成按键值输入和液晶屏显示。然后,根据运动学插补原理和系统功能需求,设计控制系统的软件部分:根据MCU外围电路和功能需求,对各个软件模块进行测试,包括解析器、编译器、操作界面、存储设备、通信和自定义文件系统;根据正逆运动学插补算法,首先在MATLAB上进行仿真,再把算法移植到DSP中;根据FPGA的通信方式和脉冲控制方式,设计各个模块并用Modelsim进行波形仿真。最后,经过为期一年多的研发与调试,机器人控制系统已基本实现功能。系统重复定位精度为±0.5mm,最高的移动速度可达0.5m/s。同时该系统具有较高的可靠性和稳定性
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