连续体机器人控制系统的设计研究

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随着工业技术向自动化方向不断的发展,工控任务变得日益复杂。在工业控制领域中尤其是有着超冗余自由度的连续体机器人对控制系统提出了通信速度快、控制精度高、抗干扰能力强等要求。这使得传统总线式的控制方式已经无法满足其要求,同时随着网络化的发展,PC+工业以太网的控制模式开始兴起,而工业以太网中的Ether CAT以高实时性、高稳定性等特点在机器人领域得到了广泛的应用。(1)本文首先对Ether CAT进行介绍,在现有的连续体机器人平台上,使用一主多从的网络结构模式,提出了基于Ether CAT的连续体机器人控制系统方案。控制系统分为硬件和软件两个部分:主站硬件使用通常的PC机,从站硬件则是采用了基于AX58100和STM32F407芯片的多轴运动控制板,设计了从站控制板的PDI接口、通信网口、电机控制等模块。其中AX58100在控制系统中负责接收主站的控制指令以及向主站返回采集的数据,STM32F407负责步进电机的控制和编码器数据的采集;(2)主站软件上是在Linux操作系统上移植支持Ether CAT的开源主站协议栈SOEM,同时为了提高控制系统的实时性,安装了实时性更高的Xenomai内核,并根据连续体机器人的需求设计了主站用户层程序。由于使用的步进减速电机不支持伺服协议,所以需要针对步进电机的控制需求和从站设备配置编写相应的设备描述文件。同时在通信的应用层上使用Co E协议,建立了主从站之间的非周期性数据通信和周期性数据通信,完成了控制系统的软件设计;(3)最后将搭建好的控制系统应用到现有的连续体机器人平台上,先对搭建的主站分别在用户模式、内核模式以及定时器中断三个模式下进行了调度延迟测试,统计数据表明搭建的主站具有较低的任务调度延迟。在控制系统通信时通过wireshark软件抓取Ether CAT数据帧,并使用示波器对两个从站的中断引脚信号进行了测量,测量数据表明控制系统通信时具有良好的实时性与稳定性以及较低的同步性误差,能够满足连续体机器人的控制需求。然后又根据连续体机器人的控制需求设计了控制程序,同时加入了连续体机器人从关节空间到驱动空间的逆运动学模型和PID控制算法,并进行了运动控制实验,实验结果验证了本文设计的控制系统对于连续体机器人能较好的完成运动控制功能。
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