工業機器人控制系統嵌入式伺服控制器設計(已修改)

　

【正文】 工學學士論文 摘要 摘要 隨著科技的發展，機器人越來越廣泛的 應用于工業和生活。 本課題是工業機器人遙操作控制系統設計之 嵌入式伺服控制器 的設 計 ，通過對上位機命令和反饋信號的處理， 實現對其進行有線遙控 及運動軌跡的示教再現。 本設計主要由硬件設計和軟件設計兩方面組成。在硬件方面，微處理器采用 TI 公司的 MSP430 系列超低功耗的混合信號控制器 MSP430F449，采用 CAN 總線與上位機通訊，并經過隔離放大信號實現對驅動器的控制并采集光電編碼器反饋的信號。軟件部分也主要包括主程序，總線通訊程序和 自動 控制程序等。 本設計綜合了多方面的專業知 識，利用嵌入式系統發展 了 機器人的控制性能，用硬件實現控制算法，同時完成任務的合理調度、實時控制和通信功能，促進機器人和工業的全面接軌。 關鍵詞 ： 工業機器人 ； 控制器 ； 嵌入式 工學學士論文 摘要 ABSTRACT With the development of science and technology, robots are applied to industry and life more and more widely. This task is on the design of embedded servo controller of the teleoperation control system of a industrial robot. Through dealing with the mand from the host microprocessor and the feedback signal, it realizes the wired remote control and the reoccurrence of the original orbit. The design mainly consists of two parts: hardware and software design. In terms of hardware, the ultralow powered mixed signal controller MSP430 of the MSP430 series produced by TI Inc is chosen as the main microprocessor, CAN bus is used to municate with the host microprocessor, for the goal of controlling the drive through isolating and amplifying the signal and collecting the feedback signal from the optical encoder. In terms of software, it consists of the main program, bus munication program, automatic control program and so on. This design bines a variety of professional knowledge, embedded system is used to develop the control performance of the robot, hardware is used to plete the control algorithm and all above is for dispatching the tasks reasonably, realtime controlling and municating, promoting the full integration of robots and industry. Keywords: industrial robot。 controller。 embedded工學學士論文 目錄 目錄 1 緒論 ........................................................................................ 1 機器人和機器人學 .....................................................................................1 機器人的分類 .............................................................................................1 工業機器人的發展 .....................................................................................2 2 設計概述 ................................................................................ 8 工業機器人的基本組成 .............................................................................8 機器人的自由度 .......................................................................................10 課題組總框架 ...........................................................................................10 控制器的功能及設計思路 .......................................................................11 3 硬件設計與選型 ..................................................................... 13 MPS430 單片機概述 .................................................................................13 CAN 總線接口設計 ..................................................................................16 光電編碼器的反饋信號 ...........................................................................35 伺服驅動器的控制 ...................................................................................38 4 系統軟件設計 ........................................................................ 44 集成開發調試環境 .....................................................................44 主程序設計 ...............................................................................................45 CAN 總線通訊程序設計 ..........................................................................47 5 設計總結 ................................................................................ 50 參考文獻 .................................................................................... 52 致謝 ........................................................................................... 54 工學學士論文 緒論 1 緒論 機器人和機器人學 人們從一開始制作物品時，就有用各種方式 制作機器人的想法。盡管從原理上講，類人機器人是機器人，并具有與機器人相同的設計與控制原理，但本設計研究的機器人是工業用機械手型機器人。 如果將常規的機器人操作手與掛在多用車或牽引車 上的起重機進行比較，可發現兩者非常相似。它們都具有許多連桿，這些連桿通過關節依次連接，這些關節有驅動器驅動。在上述兩個系統中，操作器的 “手 ”都能在空中運動并可以運動到工作空間的任何位置，它們都能承載一定的負荷，并都用一個中央控制器控制驅動器 。 然而，它們一個稱為機器人，另一個稱為操作機 (也就是起重機 )，兩者最根本的不同是起重機是由人 來控制驅動器，而機器人操作手是由計算機編程控制，正是通過這一點可以區別一臺設備到底是簡單的操作機還是機器人。通常機器人設計成由計算機或類似裝置來控制，機器人的動作受計算機監控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型的程序。 機器人學是人們設計和應用機器人的技術和知識 [1]。機器人系統不僅由機器人組成，還需要其他裝置和系統連同機器人一起來共同完成必需的任務。機器人可以用于生產制造、水下作業、空間探測、幫助殘疾人甚至娛樂等方面。通過 編程和控制，許多場合均可以應用機器人。機器人學是一門交叉學科，它得益于機械工程 、電氣與電子工程、計算機科學、生物學以及其他學科。 機器人的分類 機器人的分類方法很多，這里依據兩個有代表性的分類方法列舉機器人的分類。 工學學士論文 緒論 首先，機器人按應用可分為工業機器人、極限作業機器人和娛樂機器人。工業機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人，主要用于現代化的工廠和柔性加工系統中 。 極限作業機器人主要是指用在人們難以進入的核電站、海底、宇宙空間進行作業的機器人，也包括建筑、農業機器人等。娛樂機器人包括彈奏樂器的機器人、舞蹈機器人、玩具機器人等 (具有某種程度的通用性 )，也有根據環境而改變動作的機 器人。 其次，按照控制方式機器人可分為操作機器人、程序機器人、示教再現機器人、智能機器人和綜合機器人。操作機器人的典型代表是在核電站處理放射性物質時遠距離進行操作的機器人。在這種場合，相當于人手操縱的部分稱為主動機械手，進行類似動作的部分稱為從動機械手。兩者基本是類似的，但從動機械手要大些，是用經過放大的力進行作業的機器人；主動機械手要小些。也有一方面用顯微鏡進行觀察，一方面進行精密作業的機器人。程序機器人按預先給定的程序、條件、位置進行作業。示教再現機器人同盒式磁帶的錄放一樣，機器人將所教的操作過程自動地 記錄在磁盤、磁帶等存儲器中，當需要再現操作時，可重復所教過的動作過程。示教方法有直接示教與遙控示教。智能機器人不僅可以進行預先設定的動作，還可以按照工作環境的變化改變動作。綜合機器人是由操縱機器人、示教再現機器人、智能機器人組合而成的機器人，如火星機器人。 1997 年7 月 4 日， “火星探險者 ”(Mars Pathfinder)在火星上著陸，著陸體是四面體形狀，著陸后三個蓋子的打開。它在能上、下、左、右動作的攝像機平臺上裝有兩臺攝像機，通過立體觀測而得到空間信息。整個系統可以看作是由地面指令操縱的操作機器人。 工業機器人的發展 全球機器人的發展狀況 1954 年，美國戴沃爾最早提出了工業機器人的概念 [2]，并 申請了專利。工學學士論文 緒論 該專利的要點是借助伺服技術控制機器人的關節，利用人手對機器人進行動作示教，機器人能實現動作的記錄和再現。這就是所謂的示教再現機器人，現有的機器人差不多都采用這種控制方式。 圖 Unimate 工業機器人和 Versatran 工業機器人 1958 年，被譽為 “工業機器人之父 ”的 Joseph F. Engel Berger 創建了世界上第一個機器人公司 ——Unimation(Universal Automation)公司，并參與設計了第一臺 Unimate 機器人，