论文部分内容阅读
光电视觉机器人是机器人领域的一个重要分支,广泛应用于工业生产和制造领域,其研究水平高低可以作为衡量国家工业自动化水平的重要标准。至今,ABB、KUKA、安川等国外研究团队技术较成熟。中国国内机器人市场主要还是被国外所垄断,一些机器人应用场合大都进口国外的整套机器,国外机器人控制精度和稳定性比较高,但是成本非常高。光电视觉机器人的核心技术在于:快速精确识别物体,最优运动路径规划,实时高精度控制。目前,国内的机器人大都是基于MCU(Micro Controller Unit)的无视觉识别的系统,缺少视觉模块在很大的程度上限制了机器人的使用场合,而且现有的成熟通信接口模块如CAN(Controller Area Network)总线、串口、USB(Universal Serial Bus)等在实时性能上的限制都不能满足机器人的要求。本文中所研究的光电视觉机器人采用PC作为控制系统的上位机,负责发送运动控制指令,显示人机交互界面等。下位机采用高并行执行能力的FPGA(Field-Programmable GateArray)执行上位机指令,同时集成刷新周期小于100 us的EtherCAT实时以太网作为上、下位机的通信接口模块。该下位机模式可以很大程度上提高控制精度,在数据传输实时性和执行指令并行性得到保证的前提下,机械的位置刷新效率就更高,上位机对位置的规划也就越精确。本论文中设计并制作了FPGA核心板、EtherCAT实时通信模块、伺服驱动接口、光电传感器接口等硬件电路。同时编写下位机软件代码,主要分为两个部分,且均是在FPGA上完成。FPGA分配一部分资源用来实现控制,在Quartus II编辑器中完成verilog硬件控制代码,另外一部分资源用来构建NIOS II软核,NIOS II中实现EtherCAT实时以太网传输协议。在机器人系统中成功移植EtherCAT实时以太网,这对机器人控制有着非常重要的意义,其大幅缩短了传输和反馈周期。通过本文中设计的基于EtherCAT从站控制系统对机器人的改进,其已成功在企业的工业现场应用于物料上下搬运、器件打磨和码垛等作业中,机器人在工业干扰环境中仍然能够稳定运行。其中,主从站数据刷新周期提高到1 ms大大提高了通信实时性,使得机器人点重复精度为0.02 mm,水平联动速度最快可以达到5.6 m/s,各轴归零均能在7 s内完成,归零误差在2个脉冲数以内。