基于實時以太網(wǎng)的運動控制系統(tǒng)研發(fā).pdf

1、隨著機器人學，實時通信技術，嵌入式芯片，機械設計制造和自動化技術的進步，機器人控制系統(tǒng)己經(jīng)有了長足的發(fā)展。本文的項目背景是南開大學和天津大學共同研發(fā)的腔鏡手術輔助機器人系統(tǒng)。本人的主要工作是開發(fā)了集成多個分布式運動控制器的運動控制系統(tǒng)。利用實時以太網(wǎng)技術，以串聯(lián)的拓撲結(jié)構實現(xiàn)了機械臂的多軸運動控制，利用FPGA技術實現(xiàn)了機械臂正逆運動學計算和運動控制。
　　手術機器人采用主從操作臂的控制形式，共有兩對主從操作臂和一個持鏡臂。在實際

2、應用中，微創(chuàng)腹腔外科手術是在遙操作的環(huán)境中進行的，嚴格的應用環(huán)境對手術機器人控制系統(tǒng)提出了較高的要求。本文對手術機器人的機械結(jié)構、驅(qū)動模型、輸入輸出接口進行了詳細的分析，設計了運動控制系統(tǒng)的整體框架和控制器軟硬件。
　　各運動控制器以實時以太網(wǎng)的方式進行通信，通信周期為1 ms，周期抖動為3μs左右，通信失敗率低于千分之一，達到了高性能運動控制網(wǎng)絡的要求。
　　在 FPGA中實現(xiàn)的并行算法能夠在3μs內(nèi)完成正逆運動學和運動控

3、制計算。綜合各方面因素將單軸運動控制周期定為32μs，一個通信周期可以進行將近32次運動控制。運動控制模塊在1 ms通信周期內(nèi)，對各自由度的初始角度和末端角度做軌跡規(guī)劃。實驗證明軌跡規(guī)劃算法將控制誤差降低了50％左右。
　　本文第五章的性能測試對實時以太網(wǎng)的周期性、抖動性，同步函數(shù)執(zhí)行的同步性，并行算法模塊的控制效果進行了詳細的測試。最后以平面書寫實驗測試了從操作臂末端到達笛卡爾空間一個平面的控制性能。實驗結(jié)果表明，從操作臂末端位