基于實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā).pdf

1、隨著機(jī)器人學(xué)，實(shí)時(shí)通信技術(shù)，嵌入式芯片，機(jī)械設(shè)計(jì)制造和自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人控制系統(tǒng)己經(jīng)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文的項(xiàng)目背景是南開(kāi)大學(xué)和天津大學(xué)共同研發(fā)的腔鏡手術(shù)輔助機(jī)器人系統(tǒng)。本人的主要工作是開(kāi)發(fā)了集成多個(gè)分布式運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。利用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)，以串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂的多軸運(yùn)動(dòng)控制，利用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)控制。
　　手術(shù)機(jī)器人采用主從操作臂的控制形式，共有兩對(duì)主從操作臂和一個(gè)持鏡臂。在實(shí)際

2、應(yīng)用中，微創(chuàng)腹腔外科手術(shù)是在遙操作的環(huán)境中進(jìn)行的，嚴(yán)格的應(yīng)用環(huán)境對(duì)手術(shù)機(jī)器人控制系統(tǒng)提出了較高的要求。本文對(duì)手術(shù)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)模型、輸入輸出接口進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的整體框架和控制器軟硬件。
　　各運(yùn)動(dòng)控制器以實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信，通信周期為1 ms，周期抖動(dòng)為3μs左右，通信失敗率低于千分之一，達(dá)到了高性能運(yùn)動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)的要求。
　　在 FPGA中實(shí)現(xiàn)的并行算法能夠在3μs內(nèi)完成正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和運(yùn)動(dòng)控

3、制計(jì)算。綜合各方面因素將單軸運(yùn)動(dòng)控制周期定為32μs，一個(gè)通信周期可以進(jìn)行將近32次運(yùn)動(dòng)控制。運(yùn)動(dòng)控制模塊在1 ms通信周期內(nèi)，對(duì)各自由度的初始角度和末端角度做軌跡規(guī)劃。實(shí)驗(yàn)證明軌跡規(guī)劃算法將控制誤差降低了50％左右。
　　本文第五章的性能測(cè)試對(duì)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的周期性、抖動(dòng)性，同步函數(shù)執(zhí)行的同步性，并行算法模塊的控制效果進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試。最后以平面書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了從操作臂末端到達(dá)笛卡爾空間一個(gè)平面的控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從操作臂末端位