基于EtherCAT和Ma...b的协作机器人控制系统设计_周楷文.pdf

摘要：针对现有机器人控制系统开放性差、研发周期长等缺点，设计了基于EtherCAT和Matlab的协作机器人实时控制系统，利用Matlab搭建机器人控制器，实现正运动学、逆运动学以及轨迹规划，并通过EtherCAT总线的高实时性实现机器人各关节控制与数据反馈。最后利用同步位置模式进行轨迹规划控制，结合Matlab的Scope图像化工具观测和验证系统执行情况。结果表明基于EtherCAT和Matlab的协作机器人控制系统可缩短机器人控制系统研发周期，提高研发效率。关键词：协作机器人；开放式控制系统；EtherCAT；MatlabAbstract:To address the shortcomings of the existing robot control system such as poor openness and long develop-ment cycle,this paper designs a real-time control system for collaborative robot based on EtherCAT and Matlab,builts arobot controller using Matlab,realizes robot kinematics and trajectory planning,and realizes the control and data feedbackof each joint of the robot through the high real-time performance of EtherCAT bus.Finally,the trajectory planning control isperformed by using synchronous position mode,and the system execution is observed and verified by combining MatlabsScope visualization tool.The results show that the collaborative robot control system based on EtherCAT and Matlab canreduce the robot control system development cycle and improve the development efficiency.Keywords:collaborative robot,open control system,EtherCAT,Matlab机器人控制系统是机器人技术的核心，它包括控制机器人运动的各种硬件和软件。在早期的机器人控制系统研究中，各大机器人生产制造厂商运用自家生产的运动控制器、自定义通信方式甚至特定的编程语言等去研发机器人控制系统，这就导致各厂机器人运动控制算法开放程度较低，出现基础软硬件不能相互适配等问题。随着外界对于开放式控制系统的需求越来越大，开放式的机器控制系统逐渐出现1。开放式系统能够对系统进行二次开发，方便研发人员在现有控制系统的基础上根据自己需求加入功能2。传统的机器人控制系统不开源，二次开发难度大，针对机器人控制系统底层协议不开放、机器人控制算法不开源等问题，本文提出一种基于EtherCAT和Matlab的协作机器人控制系统。该系统具有良好的开放式结构，且控制机器人底层控制协议和上层机器人控制算法对外开放，能够提高机器人控制系统研发周期。该系统利用Matlab作为上位机，并在ARM Cortex-M7嵌入式处理器搭建EtherCAT主站作为机器人控制数据传输中转站，并以高速EtherCAT现场总线作为数据传输媒介，最终实现对协作机器人控制。在Matlab上能够实现机器人的正运动学、逆运动学以及轨迹规划算法，同时能够利用Matlab中Simulink的Scope工具实时显示机器人各轴运行数据。1机器人控制系统设计1.1控制系统框架机器人控制系统主要由上位机，EtherCAT主站以及机器人本体构成。上位机作为机器人运动控制器，通常以PC机作为控制平台，使用Windows操作系统，安装Matlab。同时机器人各个关节对数据采集和传输的实时性要求高，所以通过EtherCAT现场总线将机器人六个关节互连。每个关节作为一个EtherCAT从站，从站之间通过网线连接。在ARM Cortex-M7嵌入式处理器搭建EtherCAT主站，并采用SOEM作为主站协议包。主站通过工业以太网与各从站连接，以实现机器人各关节的协同控制。同时主站将采集的从站关节数据通过CAN总线传输给上位机。控制系统总体方案如图1所示。协作机器人各个关节模组集成的驱动