工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)嵌入式伺服控制器設(shè)計-預(yù)覽頁

　

【正文】 緒論 該專利的要點(diǎn)是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。它采用分離式固體數(shù)控元件，并裝有存儲信息的磁鼓，能夠記憶完成 180 個工作步驟。 一般 認(rèn)為 ， Unimate 和 Versatran 是世界上最早的工業(yè)機(jī)器人 (見圖 )。 1970年以后，機(jī)器人的研究得到迅速廣泛的普及 1970 技術(shù) ETL 公司發(fā)明帶視覺的自適應(yīng)機(jī)器人 1971 工業(yè) 日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會 (JIRA)成立 1972 理論 R． P． Paul 用 D—H 矩陣計算軌跡 1972 理論 D． E． Whitney 發(fā)明操作機(jī)的協(xié)調(diào)控制方式 1973 理論 辛辛那提 由于這些技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)器人概念的延伸。水下機(jī)器人、空間機(jī)器人、空中機(jī)器人、地面機(jī)器人、微小型機(jī)器人等各種用途的機(jī)器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。在 1967~1974 年的幾年時間里，因為政府對機(jī)器人發(fā)展的重視不夠，且機(jī)器人處于發(fā)展初期，價格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。 1968 年，日本川崎重工業(yè)公司與美國 Unimation 公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)Unimation 機(jī)器人。 1983年，美國 從日本進(jìn)口的機(jī)器人占美國總數(shù)的 78%。 3)機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) 這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床 (VMT)與機(jī)器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機(jī)器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和 控制部分 [3]。 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、 末端操作器三大件組成 。末端操作器是直接裝在手腕上的一個重要部件，它可 以 是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。 ——環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)器人 ——環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。該系 統(tǒng)歸納起來分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。根據(jù)控制運(yùn)動的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。然而，即使物體的位置已確定，仍有無數(shù)種方法來確定該物體的姿態(tài)。如果少 于六個自由度，機(jī)器人的能力將受到很大的限制。再假設(shè)一個機(jī)器人有五個自由度，可以繞三個坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，但只能沿 x 和 y 軸運(yùn)動。為了使控制器知道具體怎么做， 必須有附加的決策程序使機(jī)器人能夠從無數(shù)種方法中只選擇出一種。 操作器是操作人員控制工業(yè)機(jī)器人的人際交互系統(tǒng)，在操作端，操作者通過操縱桿、鍵盤等人機(jī)交互設(shè)備發(fā)出命令， 一方面 這些控制命令通過通信環(huán)節(jié)送往遠(yuǎn)端的機(jī)器人系統(tǒng)，另一方面通過 總線 通信，現(xiàn)場機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)信息都可以反饋到操作端 。在規(guī)劃中，不僅要規(guī)定機(jī)器人的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而且要給出中間點(diǎn) (路徑點(diǎn) )的位姿及路徑點(diǎn)之間的時間分配，即給出兩個路徑點(diǎn)之間的運(yùn)動時間。控制器采用的參數(shù)自調(diào)整在線插值模糊控制算法可以實現(xiàn)誤差無限分檔和比例因子在線調(diào)整。 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計概述 控制器的設(shè)計思路 本課題是一個完整的工業(yè)機(jī)器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計的一部分 ——嵌入式伺服控制器的軟硬件電路原理設(shè)計，主要包括以下內(nèi)容： (1) 控制信號輸出電路的設(shè)計 分析、設(shè)計機(jī)器人各控制元件的特性及控制方式，選擇合適的驅(qū)動控制電路實現(xiàn)對機(jī)器人各自由度的控制。將處理后的信號通過 CAN總線上報給規(guī)劃器，使規(guī)劃器作出相應(yīng)調(diào)整，以保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性，可靠性。它們具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， CPU 中的 16 個寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us 的時間內(nèi)激活到活躍的工作方式 [6]。耗電電流 (在 ~400 uA 之間 )因不同的工作模式而不同；具有 16 個中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請求將 CPU 喚醒只要 6us，可編制出實時性特別高的源代碼；可將 CPU 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時鐘頻率。其中，看 門狗可以使程序失控時迅速復(fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時器可以設(shè)計為 A/D 轉(zhuǎn)換器；定時器具有捕獲 /比較功能，可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有兩個串口，可方便地實現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多達(dá) 68 條 I/O 口線，而且 I/O 口線具有中斷能力； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200 kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動液晶多達(dá) 120 段。對于 OTF 型和 ROM 型的器件是用相對應(yīng)的 EPROM 型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；而對于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因為器件工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。MSP430F449 的特點(diǎn)是 [7]： 1)低工作電壓： ~。 5)12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源 、采樣保持、自動掃描特性。 片內(nèi)比較器配合其他器件可構(gòu)成單斜邊 A/D 轉(zhuǎn)換器。 12)可編程的保險熔絲可保護(hù)設(shè)計者密碼。同時 ， 國際上一些大的半導(dǎo)體廠商也積極開發(fā)出支持 CAN 總線的專用芯片 。 CAN 的工作原理 當(dāng) CAN 總線上的一個節(jié)點(diǎn) (站 )發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 它以報文形式廣播給網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)。當(dāng)幾個站競爭總線讀取時 ， 這種配置十分重要。 由于 CAN 總線是一種面向內(nèi)容 的編址方案 ， 因此很容易建立高水準(zhǔn)的控制系統(tǒng)并靈活地進(jìn)行配置。 位仲裁 要對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理 ， 就必須將數(shù)據(jù)快速傳送 ， 這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。 CAN 總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 ， 報文的優(yōu)先級結(jié)合在 11 位標(biāo)識符中 ， 具有最低二進(jìn)制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。所有標(biāo)識符都有相同的兩位 01， 直到第 3 位進(jìn)行比較時 ， 站 1 的報文被丟掉 ， 因為它的第 3 位為高 ， 而其它兩個站的報文第 3 位為低。這 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 種非破壞性位仲裁方法的優(yōu)點(diǎn)在于 ， 在網(wǎng)絡(luò)最終確定哪一個站的報文被傳送以前 ， 報文的起始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上傳送了。 對于主站的可靠性 ， 由于 CAN 協(xié)議執(zhí)行非集中化總線控制 ， 所有主要通信 ， 包括總線讀取 (許可 )控制 ， 在系統(tǒng)中分幾次完成。 在標(biāo)準(zhǔn)格式中 ， 報文的起始位稱為 幀起始 (SOF)， 然后是由 11 位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。它的最后四個字節(jié)用來指明數(shù)據(jù)場中數(shù)據(jù)的長度 (DLC)。用這 種方法 ， 發(fā)送站可以保證網(wǎng)絡(luò)中至少有一個站能正確接收到報文。事實上 ， 它可以將發(fā)生的任何錯誤用信號發(fā)出。 2)幀檢查 這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確 定報文的正確性 ， 用于檢查格式上的錯誤。 4)總線檢測 有時 ， CAN 中的一個節(jié)點(diǎn)可監(jiān)測自己發(fā)出的信號。為保證同 步 ， 同步沿用位填充產(chǎn)生。 如果至少有一個站通過以上方法探測到一個或多個錯誤 ， 它將發(fā)送出錯工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 標(biāo)志終止當(dāng)前的發(fā)送。在特殊場合 ， 系統(tǒng)的恢復(fù)時間為 31 個位周期。這種方法可以通過對出錯站統(tǒng)計評估來確定一個站本身的錯誤并進(jìn)入一種不會對其它站產(chǎn)生不良影響的運(yùn)行方法來實現(xiàn) ，即站可以通過關(guān)閉自己來阻止正常數(shù)據(jù)因被 錯誤地 當(dāng)成 不正確 的數(shù)據(jù)而被終止。 殘余數(shù)據(jù)錯誤的概率可以通過對數(shù)據(jù)傳輸可靠性的統(tǒng)計測量獲得。如果要確定 CAN 的殘余錯誤概率 ， 我們可將殘留錯 誤的概率作為具有 80～ 90 位的報文傳送時位錯誤概率的函數(shù) ， 并假定這個系統(tǒng)中有5～ 10 個站 ， 并且錯誤率為 1/1000， 那么最大位錯誤概率為 1013 數(shù)量級。 CAN 總線優(yōu)勢 CAN 屬于現(xiàn)場總線的 范疇 ， 它是一 種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。這就保證不會出現(xiàn)象在 RS485網(wǎng)絡(luò)中 ， 當(dāng)系統(tǒng)有錯誤 ， 出現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路 ， 從而損壞某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。這些也是目前 CAN 總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域 ， 具有強(qiáng)勁的市場競爭力的重要原因。它在汽車領(lǐng)域上的應(yīng)用是最廣泛的 ， 世界上一些著名的汽車制造廠商 ，如 BENZ(奔馳 )、 BMW(寶馬 )、 PORSCHE(保時捷 )、 ROLLSROYCE (勞斯萊斯 )和 JAGUAR(美洲豹 )等都采用了 CAN 總線來 實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。 CAN 總線電平定義和通訊距離 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 CAN 總線采用兩種互 補(bǔ)的邏輯數(shù)值 “顯性 ”和 “隱性 ”。 在 “隱性 ”狀態(tài)下， VCAN_H 和 VCAN_L 被固定與平均電壓電平， Vdiff近似為零，此時 VCAN_H 和 VCAN_L 的標(biāo)稱值為 。 電壓 /V 隱性 (邏 輯 1) 隱性 (邏輯 1) 顯性 (邏輯 0) 時間 Vdiff=0 Vdiff=0 Vdiff=2V 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 表 CAN 總線最大傳輸距離與波特率關(guān)系 通訊波特率 (kbps) 1000 500 250 125 100 50 20 10 5 最大距離(m) 40 130 270 530 620 1300 3300 6700 10000 這里最大通訊距離是指在同一條總線上任意兩個節(jié)點(diǎn)之間的距離。 在此基礎(chǔ)上，物理層主要取決于傳輸速度的要求。目前也有支持 CAN 的微處理器內(nèi)部集成了 CAN 控制器和收發(fā)器電路，如 MC68HC908GZl6。這些功能都是圍繞信息幀傳送過程展開的。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)共用同一段 CAN 地址 16H～ 18H，共 3 個單元，能存儲一條將在 CAN 總線上發(fā)送或接收的完整的報文。 AD61AD72A L E / A S3/ C S4/ R D / E5/ W R6C L K O U T7V S S 18X T A L 19X T A L 210M O D E11VDD312T X 013T X 114AD528AD427AD326AD225AD124AD023VDD122V S S 221R X 120R X 019VDD218/ R S T17/ I N T16V S S 315 圖 SJA1000 引腳圖 6N137 光耦合器 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 6N137 光耦合器 (圖 )是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一個 850 nm波長 AlGaAs LED 和一個集成檢測器組成，其檢測器由一個光敏二極管、高增益線性運(yùn)放及一個肖特 基鉗位的集電極開路的三極管組成。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 T X D1GND2V C C3R X D4 T R E F 5C A N L 6C A N H 7RS 8 圖 82C250 引腳圖 PCA82C250 提供對物理總線的符合 CAN 電氣協(xié)議的差動發(fā)送和接收功能，另外，它具有的電流限制電路，還提供了對總線的進(jìn)一步的保護(hù)功能。而 82C250支持多達(dá) 110個節(jié)點(diǎn)，并能以 1Mbps的速率工作于惡劣電氣環(huán)境。發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)共用同一段 CAN 地址 16H～ 18H，共 3 個單元，能存儲一條將在 CAN總線上發(fā)送或接收的完整的報文。 RTR=1，為遠(yuǎn)程幀 。驗收時對于標(biāo)準(zhǔn)幀 ： 11 位標(biāo)識符和RTR 對應(yīng) ACR0 的 8 位和 ACR1 的高 4 位。它位于 CPU和位流處理器 (BSP)之間，能存儲一條將在 CAN總線上發(fā)送的完整的報文，報文由 CPU寫入，由 SBP讀出。 4)接收濾波器：它把報文頭中的標(biāo)識符和接收濾波寄存器中的內(nèi)容進(jìn)行比較，以判斷文報文是否被接收。 7)錯誤管理邏輯：它按照 CAN協(xié)議完成