工業(yè)機器人控制系統(tǒng)嵌入式伺服控制器設(shè)計(更新版)

　　

【正文】 域是存放發(fā)送信息的備份 )，有了 64 字節(jié)的 REFIFO， CPU 可以在處理一個報文的同時繼續(xù)接收其工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 他到來的報文；具有接收濾波器，它把報文頭中的標(biāo)識符 (ID)和驗收碼寄存器中的內(nèi)容進行比較，以判斷該報文是否被接收。通過 82C250 與物理總線進行連接，可使總線支持多達 110 個節(jié)點的掛接。具有 64 字節(jié)擴展接收緩沖器 RXFIFO，其 CAN 地址為 32H～ 95H(地址為 96H～ 109H 的區(qū)域是存放發(fā)送信息的備份 )，有了 64 字節(jié)的 REFIFO， CPU 可以在處理一個報文的同時繼續(xù)接收其他到來的報文；具有接收濾波器，它把報文頭中的標(biāo)識符 (ID)和驗收碼寄存器中的內(nèi)容進行比較，以判斷該報文是否被接收。 PMA 和 MDI 兩層有很多不同 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 的國際或國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也可自行定義，比較流行的是 ISOll898 定義的高速 CAN 發(fā)送 /接收器標(biāo)準(zhǔn)。 CAN 總線協(xié)議內(nèi)容 1)總線競爭的原則 BOSCH CAN 基本上沒有對物理層進行定義，但基于 CAN 的 ISO標(biāo)準(zhǔn)對物理層進行了定義。 “顯 ”(“Daminant”)數(shù)值表示邏輯 “0”，而 “隱性 ”(“Recessive”)表示邏輯 “1”。 4)最有前途的現(xiàn)場總線之一 CAN 即控制器局域網(wǎng)絡(luò) ， 屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。較之目前許多 RS485 基于 R 線構(gòu)建的分布式控制系統(tǒng)而言 ， 基于 CAN 總線的分布式控制系統(tǒng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性： 1)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強 首先 ， CAN 控制器工作于多主方式 ， 網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點都可根據(jù)總線訪問優(yōu)先權(quán) (取決于報文標(biāo)識符 )采用無損結(jié)構(gòu)的逐位仲裁的方式競爭向總線發(fā)送數(shù)據(jù) ， 且 CAN 協(xié)議廢除了站地址編碼 ， 而代之以對通信數(shù)據(jù)進行編碼 ， 這可使不同的節(jié)點同時接收到 相同的數(shù)據(jù) ， 這些特點使得 CAN 總線構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強 ， 并且容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu) ， 提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。它描述了傳送數(shù)據(jù)被破壞和這種破壞不能被探測出來的概率。 但這種方法存在一個問題 ， 即一個發(fā)生錯誤的站將導(dǎo)致所有數(shù)據(jù)被終止 ， 其中也包括正確的數(shù)據(jù)。在五個連續(xù)相等位后 ， 發(fā)送站自動插入一個與之互補的補碼位 ； 接收時 ， 這個填充位被自動丟掉。 3)應(yīng)答錯誤 如前所述 ， 被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認。 報文的尾部由幀結(jié)束標(biāo)出。 RTR 位標(biāo)明是數(shù)據(jù)幀還是請求幀 ， 在請求幀中沒有數(shù)據(jù)字節(jié)。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站 ，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送 。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設(shè)計時被確立后就不能再被更改。我們可以很容易地在 CAN 總線中加進一些新站而無需在硬件或軟件上進行修改。對每個節(jié)點來說 ， 無論數(shù)據(jù)是否是發(fā)給自己的 ， 都對其進行接收。 13)FLASH 存儲器多達 60KB， RAM 多達 2KB。 6)16 位精簡指令結(jié)構(gòu) (RISC)， 150us 指令周期。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需要仿真器和編程器。如果晶體振蕩器在用作CPU 時鐘 MCLK 時發(fā)生故障， DCO 會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。 MSP430 系列單片機具有豐富的片內(nèi)外設(shè)，有極其廣闊的應(yīng)用范圍。并根據(jù)從上位機傳來的操作指示，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。 控制器除了接收上位機發(fā)出的命令外，主要負責(zé) 控制驅(qū)動器和完成以速度為反饋信號的閉環(huán)控制。例如，可以采用最優(yōu)程序來選擇最快或最短路徑到達目的地。 為了說明這個問題，考慮一個三自由度機器人，它只能沿 x， y 和 z 軸運動。 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計概述 機器人的自由度 正如在工程力學(xué)課程中學(xué)到的，為了確定點在空間的位置，需要指定三個坐標(biāo)，就像沿直角坐標(biāo)軸的 x， y 和三個坐標(biāo)。工業(yè)機器人與外部設(shè)備集成為一個功能單元，如加工制造單元、焊接單元、裝配單元等。每一大件都有若干自由度，構(gòu)成一個多自由度的機械系統(tǒng)。 4)以機器 人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng) 這些研究主要包括：開放式模塊化裝配機器人；面向機器人裝配的設(shè)計技術(shù)；機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；可重構(gòu)機器人柔性裝配系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；裝配力覺、視覺技術(shù)；智能裝配策略及其控制技術(shù)。 1970 年，日本機器人實現(xiàn)國產(chǎn)化。將機器人的技術(shù) (如傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)等 )擴散和滲透到各個領(lǐng)域，便形成了各式各樣的新機器 ——機器人化機器。米拉克隆公司的理查德 與此同時，另一家美國公司 ——AMF 公司也開始研制工業(yè)機器人，即Versatran(Versatile Transfer)機器人，如圖 所示。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。兩者基本是類似的，但從動機械手要大些，是用經(jīng)過放大的力進行作業(yè)的機器人；主動機械手要小些。 機器人的分類 機器人的分類方法很多，這里依據(jù)兩個有代表性的分類方法列舉機器人的分類。在上述兩個系統(tǒng)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(qū)動器 。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。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(jīng)過隔離放大信號實現(xiàn)對驅(qū)動器的控制并采集光電編碼器反饋的信號。它們都具有許多連桿，這些連桿通過關(guān)節(jié)依次連接，這些關(guān)節(jié)有驅(qū)動器驅(qū)動。機器人學(xué)是一門交叉學(xué)科，它得益于機械工程 、電氣與電子工程、計算機科學(xué)、生物學(xué)以及其他學(xué)科。在這種場合，相當(dāng)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。 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。 1970年以后，機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)機器人 1971 工業(yè) 日本工業(yè)機器人協(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)明操作機的協(xié)調(diào)控制方式 1973 理論 辛辛那提 水下機器人、空間機器人、空中機器人、地面機器人、微小型機器人等各種用途的機器人相繼問世，許多夢想成為了現(xiàn)實。 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Unimation 機器人。 3)機器人化機械研究開發(fā) 這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機構(gòu)機床 (VMT)與機器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機器人化無人值守和具有自適應(yīng)能力的多機遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。 工業(yè)機器人的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、 末端操作器三大件組成 。 ——環(huán)境交互系統(tǒng) 機器人 ——環(huán)境交互系統(tǒng)是實現(xiàn)工業(yè)機器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。根據(jù)控制運動的形式，控制系統(tǒng)可分為點位控制和軌跡控制。如果少 于六個自由度，機器人的能力將受到很大的限制。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器人能夠從無數(shù)種方法中只選擇出一種。在規(guī)劃中，不僅要規(guī)定機器人的起始點和終止點，而且要給出中間點 (路徑點 )的位姿及路徑點之間的時間分配，即給出兩個路徑點之間的運動時間。 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)對機器人各自由度的控制。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 微控制器能達到最高的代碼效率；靈活的時鐘源可以使器件達到最低的功率消耗；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]。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。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)試使用的方法進行開發(fā)。 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。 12)可編程的保險熔絲可保護設(shè)計者密碼。 CAN 的工作原理 當(dāng) CAN 總線上的一個節(jié)點 (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。 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)并靈活地進行配置。 CAN 總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送 ， 報文的優(yōu)先級結(jié)合在 11 位標(biāo)識符中 ， 具有最低二進制數(shù)的標(biāo)識符有最高的優(yōu)先級。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。 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)識符和遠程發(fā)送請求位 (RTR)組成的仲裁場。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。 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。為保證同 步 ， 同步沿用位填充產(chǎn)生。在特殊場合 ， 系統(tǒng)的恢復(fù)時間為 31 個位周期。 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。 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)。這些也是目前 CAN 總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域 ， 具有強勁的市場競爭力的重要原因。 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 補的邏輯數(shù)值 “顯性 ”和 “隱性 ”。 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)點之間的距離。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。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。 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一步的保護功能。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。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。 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)容進行比較，以判斷文報文是