基于以太网的工业机器人示教装置开发
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摘要
机器人技术已广泛应用于工业、医学、科研和国防等各个领域,发挥着重要作用。示教装置是工业机器人的重要组成部分,它是实现机器人控制和人机交互的重要工具,对于运用在各种场所的工业机器人,基本上都需要经过示教后才能正常运行。操作者通过示教装置对机器人进行手动示教,控制机器人达到不同位姿,并记录各个位姿点的坐标。使用机器人语言进行在线编程,实现程序回放,让机器人再现程序要求的轨迹运动。
本论文针对通用的六轴及六轴以下的工业机器人,提出了一种基于以太网的示教装置,其与机器人控制器组成上下位机结构,两者通过以太网进行通信。示教装置作为上位机,具有独立的硬件平台,其采用ARM+FPGA的架构,在ARM上运行操作系统,用FPGA来增加电路的灵活性。并研制出基于这种硬件架构的机器人示教装置。论文对示教装置的硬件设计、结构设计、控制逻辑和通信程序设计进行了详细的描述。其中重点讲述了硬件部分的设计,主要为电源设计,ARM与FPGA模块电路设计及其外围电路设计。
最后对示教装置进行了测试来验证设计的正确性,结果表明示教装置能满足机器人示教编程和再现运行的功能,能够作为上位机对机器人进行操作。
Robotic technology has been widely used in industry, medical, scientific research ,national defense, etc. And it has played an important role in these areas. Teach pendant has been an important part of the industrial robot. With teach pendant, the operator could make manually demonstration teaching move, control robot to reach different pose, and record the point coordinates of each pose. By using robot's language, the operator could conduct online programming, realize playback for the program. And the robot could moved on the trajectory required by program. Design and research of teach pendant is generally undertaken by manufacturer of industrial robots.
This thesis has bring out a kind of architecture based on Ethernet for common 6-axis industrial robots. The teaching device and robot controller composite upper and lower system structure, they communicate with Ethernet. The teaching device serve as upper system, adopt ARM and FPGA structure. On ARM runs operation system, and FPGA increase the flexibility of structure. A Development of the teaching device is performed. Hardware design, structure design, control logic and communication program design is described in detail. Among on them is hardware design, includes main power design, ARM and FPGA circuit design and their peripheral circuits.
At the end, the teaching device has been tested to verify the correctness of the design, the results show that the teaching device can meet the requirement of robot teaching programming and representation.
本论文针对通用的六轴及六轴以下的工业机器人,提出了一种基于以太网的示教装置,其与机器人控制器组成上下位机结构,两者通过以太网进行通信。示教装置作为上位机,具有独立的硬件平台,其采用ARM+FPGA的架构,在ARM上运行操作系统,用FPGA来增加电路的灵活性。并研制出基于这种硬件架构的机器人示教装置。论文对示教装置的硬件设计、结构设计、控制逻辑和通信程序设计进行了详细的描述。其中重点讲述了硬件部分的设计,主要为电源设计,ARM与FPGA模块电路设计及其外围电路设计。
最后对示教装置进行了测试来验证设计的正确性,结果表明示教装置能满足机器人示教编程和再现运行的功能,能够作为上位机对机器人进行操作。
Robotic technology has been widely used in industry, medical, scientific research ,national defense, etc. And it has played an important role in these areas. Teach pendant has been an important part of the industrial robot. With teach pendant, the operator could make manually demonstration teaching move, control robot to reach different pose, and record the point coordinates of each pose. By using robot's language, the operator could conduct online programming, realize playback for the program. And the robot could moved on the trajectory required by program. Design and research of teach pendant is generally undertaken by manufacturer of industrial robots.
This thesis has bring out a kind of architecture based on Ethernet for common 6-axis industrial robots. The teaching device and robot controller composite upper and lower system structure, they communicate with Ethernet. The teaching device serve as upper system, adopt ARM and FPGA structure. On ARM runs operation system, and FPGA increase the flexibility of structure. A Development of the teaching device is performed. Hardware design, structure design, control logic and communication program design is described in detail. Among on them is hardware design, includes main power design, ARM and FPGA circuit design and their peripheral circuits.
At the end, the teaching device has been tested to verify the correctness of the design, the results show that the teaching device can meet the requirement of robot teaching programming and representation.
引文
[1]顾震宇,全球工业机器人产业现状与趋势,机电一体化,2006,2:6~9。
[2]张爱红、张秋菊,机器人示教编程方法,组合机床与自动化加工技术,2003,4:47~49。
[3] R.Navon and A.Retik, Programming construction robots using virtual reality techniques, Automation in Construction,1997,5:393~406。
[4]崔茂源,基于虚拟现实技术与监控理论的机器人示教系统研究[D],吉林大学,2004,5。
[5]陈珊,机器人示教盒系统研制,制造业自动化,2005,2:75~79。
[6] ABB,操作员手册带--FlexPendant的IRC5 M2004,档案ID:3HAC16590-10,2007。
[7] Y.Yanagihara,T.Kakizaki,K.Arakawa,A Multimodal Teaching Advisor for Sensor-enhanced Robotic Systems in Manufacturing.Robotics and Computer-Integrated Manufacturing,1998,14:263-273。
[8] MOTOMAN,NX100操作要领书,安川电机公司,资料编号: SGM-CSO-A032。
[9]刘远江,机器人无线示教器以及COMAU公司WITP的基本原理,机器人技术与应用,2000,6:52~55。
[10]吴山东、何永义、陈一民,基于IPC和Windows9X_NT的机器人控制器示教及串行口,2003,4:13~15
[11]时国平、刘赣伟,工业机器人示教盒系统的设计,兵工自动化, 2006,25:49~52。
[12]赵德文、刘颖,基于USB接口工业机器人示教系统设计,机电产品开发与创新,第品开发与创新,第20,6:20~22。
[13]朱志强、王宣银、张阳,焊接机器人示教系统软件设计,组合机床与自动化加工技术, 2008,9:16~19。
[14]石玗、李智强、樊丁,弧焊机器人用数控焊接变位机示教盒系统的设计与实现,甘肃工业大学学报,2003,6。
[15]陈珊,机器人示教盒系统研制,制造业自动化,2005,2:75~79。
[16] Datasheet,AP1510,PWM CONTROL 3A STEP-DOWN CONVERTER。
[17]刘丰,基于FPGA_ARM的高速电力谐波检测仪的研制[M],广西大学,2008,5。
[18]黄建淞,基于ARM_FPGA的工业CT控制系统研究与设计[M],重庆大学,2008,6。
[19] USER'S MANUAL,S3C2440A,32-BIT CMOS MICROCONTROLLER,Revision 1。
[20]彭侃,基于ARMg的嵌入式软件平台的研究与实现[D],上海:东华大学,2008。
[21]安绍银,基于ARM的实验机器人控制系统的研制[M],哈尔滨工业大学,2008。
[22]杨峰,张根宝,田泽等,基于JTAG的ARM芯片系统调试,微计算机信息,2005,11:87~89。
[23]陈学立,邱兆坤,陈志勇,嵌入式微处理器与SDRAM的接口设计与实现,现代电子技术,2010,2:191~194。
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[28]费继友,周茉,基于ARM_FPGA的嵌入式数控装置设计,设计与研究,61~64。
[29]刘卫红,聂松辉,基于ARM_FPGA的数控裁切机控制系统,科学技术与工程,2010,1:316~323。
[30]刘鑫,蒋舸扬,沈立人,基于FPGA和ARM的控制器设计及在快联锁保护系统中的应用,2010,9:653~656。
[31] Bob Zeidman,Designing with FPGAs&CPLDs[M],USA:CMP Books,2002
[32] IEEE Symposium on FPGA’s for Custom Computing Machines(FCCM’96),IEEE Computer Society Press,1996
[33]林健,基于CS8900的新型数字继电保护装置研制,机电产品开发与创新,2006,6:56~58。
[34]陈锡爱,徐方,基于CAN总线的机器人示教装置通讯系统的设计,微计算机信息,2006,1-2:14~16。
[35]陈鹏,张爱民,李杰,基于以太网控制器CS8900A实现嵌入式系统的网络互连,计算机应用,2002,12:4~6。
[36]赵釜,基于CycloneII系列FPGA的图像实时采集与预处理系统研究[M],重庆大学,2009。
[37]郑采君,基于CPLD的矩阵键盘扫描模块设计,电子设计工程,2010,10:169-175。
[38] D.N.Netom,A soft PLC model approach for generic device controllers [C]IASTED International Conference on Modeling and Simulation.California, USA, 2003,(3):34-38
[39]赵鸿玢,开放式数控系统软PLC的设计与实现[M],中国科学院研究生院,2007。
[40]张跃辉,面向数控系统的软PLC开发系统研究[M],燕山大学,2006。
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