最新工业机器人遥操作控制系统设计嵌入式伺服控制器设计Word文件下载.docx
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娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等(具有某种程度的通用性),也有根据环境而改变动作的机器人。
其次,按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人和综合机器人。
操作机器人的典型代表是在核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。
在这种场合,相当于人手操纵的部分称为主动机械手,进行类似动作的部分称为从动机械手。
两者基本是类似的,但从动机械手要大些,是用经过放大的力进行作业的机器人;
主动机械手要小些。
也有一方面用显微镜进行观察,一方面进行精密作业的机器人。
程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业。
示教再现机器人同盒式磁带的录放一样,机器人将所教的操作过程自动地记录在磁盘、磁带等存储器中,当需要再现操作时,可重复所教过的动作过程。
示教方法有直接示教与遥控示教。
智能机器人不仅可以进行预先设定的动作,还可以按照工作环境的变化改变动作。
综合机器人是由操纵机器人、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人,如火星机器人。
1997年7月4日,“火星探险者”(MarsPathfinder)在火星上着陆,着陆体是四面体形状,着陆后三个盖子的打开。
它在能上、下、左、右动作的摄像机平台上装有两台摄像机,通过立体观测而得到空间信息。
整个系统可以看作是由地面指令操纵的操作机器人。
1.3工业机器人的发展
1.3.1全球机器人的发展状况
1954年,美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念[2],并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人,现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
图1.1Unimate工业机器人和Versatran工业机器人
1958年,被誉为“工业机器人之父”的JosephF.EngelBerger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation(UniversalAutomation)公司,并参与设计了第一台Unimate机器人,如图1.1所示。
这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人,手臂的控制由一台专用计算机完成。
它采用分离式固体数控元件,并装有存储信息的磁鼓,能够记忆完成180个工作步骤。
与此同时,另一家美国公司——AMF公司也开始研制工业机器人,即Versatran(VersatileTransfer)机器人,如图1.1所示。
它主要用于机器之间的物料运输,采用液压驱动。
该机器人的手臂可以绕底座回转,沿垂直方向升降,也可以沿半径方向伸缩。
一般认为,Unimate和Versatran是世界上最早的工业机器人(见图1.1)。
这两种工业机器人的控制方式和数控机床大致相似,但外形特征迥异,主要有类似人的手和臂组成。
工业机器人的发展历史可用表1.1来说明。
表1.1工业机器人的发展历史
年代
领域
事件
1955
理论
Denavit和Hartenberg发展了齐次变换
1961
工业
美国专利2998237,Georgedevol的“编程技术”、“传输”(基于Unimate机器人)
技术
第一台Unimate机器人安装,用于压铸
有传感器的机械手MH-1,由Ernst在麻省理工学院发明
Versatran圆柱坐标机器人商业化
1965
L.G.Roberts将齐次变换矩阵应用于机器人
MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统
1967
日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会),同年召开了日本首届机器人学术会
1968
斯坦福研究院发明带视觉的、由计算机控制的行走机器人Shakey
1969
V.C.Sheinman及其助手发明斯坦福机器臂
1970
在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。
1970年以后,机器人的研究得到迅速广泛的普及
ETL公司发明带视觉的自适应机器人
1971
日本工业机器人协会(JIRA)成立
1972
R.P.Paul用D—H矩阵计算轨迹
D.E.Whitney发明操作机的协调控制方式
1973
理论
辛辛那提·
米拉克隆公司的理查德·
豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人,它是液压驱动的,能提升的有效负载达45kg
1975
美国机器人研究院成立
Unimation公司公布其第一次利润
1976
在斯坦福研究院完成用机器人的编程装配
1978
C.Rose及其同事成立了机器人智能公司,生产出第一个商业视觉系统
1980
工业机器人真正在日本普及,故称该年为“机器人元年”。
随后,工业机器人在日本得到了巨大发展,日本也因此而赢得了“机器人王国”的美称
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。
由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。
20世纪80年代,将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人。
这是一个概括的、含义广泛的概念。
这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间。
水下机器人、空间机器人、空中机器人、地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。
将机器人的技术(如传感技术、智能技术、控制技术等)扩散和渗透到各个领域,便形成了各式各样的新机器——机器人化机器。
当前,与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器人”的名称,这也说明了机器人所具有的创新活力。
美国的机器人技术一直处于世界领先水平。
在1967~1974年的几年时间里,因为政府对机器人发展的重视不够,且机器人处于发展初期,价格昂贵,适用性不强,所以发展缓慢。
此后,由于美国机器人协会、制造工程师协会积极主动地进行机器人技术推广工作,且美国为了高效生产,适应市场多变的需要,以机器人为核心的柔性自动化生产线恰好具有这些优点,所以机器人技术得以迅猛发展。
日本机器人的发展经过了20世纪60年代的摇篮期,70年代的实用化时期以及80年代的普及、提高期三个基本阶段。
在1967年,日本东京机械贸易公司首次从美国AMF公司引进Versatran机器人。
1968年,日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议,引进Unimation机器人。
1970年,日本机器人实现国产化。
从此,日本进入了开发和应用机器人技术时期。
几年后,美国反而要从日本进口机器人。
1983年,美国从日本进口的机器人占美国总数的78%。
1.3.2我国工业机器人的发展状况
我国工业机器人起步于20世纪70年代初,经过30多年的发展,90年代进入了适用化期,先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人,并实现了一批机器人应用工程,形成了一批机器人产业化基地,为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。
目前我国机器人研究的主要内容如下:
1)示教再现型工业机器人产业化技术研究
这些研究主要包括:
关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品的标准化,通用化、模块化、系列化设计;
柔性仿形喷涂机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化设计;
弧焊机器人用激光视觉焊缝跟踪装置的开发;
焊接机器人的离线示教编程及工作站系统动态仿真;
电子行业用装配机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计;
批量生产机器人所需的专用制造、装配、测试设备和工具的研究开发。
2)智能机器人开发研究
遥控加局部自主系统构成和控制策略研究;
智能移动机器人的导航和定位技术研究;
面向遥控机器人的虚拟现实系统;
人机交互环境建模系统;
基于计算机屏幕的多机器人遥控技术。
3)机器人化机械研究开发
这些研究开发主要包括:
并联机构机床(VMT)与机器人化加工中心(RMC)开发研究;
机器人化无人值守和具有自适应能力的多机遥控操作的大型散料输送设备。
4)以机器人为基础的重组装配系统
开放式模块化装配机器人;
面向机器人装配的设计技术;
机器人柔性装配系统设计技术;
可重构机器人柔性装配系统设计技术;
装配力觉、视觉技术;
智能装配策略及其控制技术。
5)多传感器信息融合与配置技术
该技术主要包括:
机器人的传感器配置和融合技术在水泥生产过程控制和污水处理自动控制系统中的应用;
机电一体化智能传感器的设计应用。
2 设计概述
2.1工业机器人的基本组成
工业机器人由三大部分六个子系统组成。
三大部分是机械部分、传感部分和控制部分[3]。
六个子系统是驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人——环境交互系统、人机交互系统和控制系统,可用图2.1来表示。
图2.1机器人系统组成
六个子系统的作用分述如下:
1.驱动系统
要使机器人运行起来,需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置,这就是驱动系统。
驱动系统可以是液压传动、气动传动、电动传动,或者把它们结合起来应用的综合系统;
可以是直接驱动或者是通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接驱动。
2.机械结构系统
工业机器人的机械结构系统由基座、手臂、末端操作器三大件组成。
每一大件都有若干自由度,构成一个多自由度的机械系统。
若基座具备行走机构,则构成行走机器人;
若基座不具备行走及腰转机构,则构成单机器人臂(SingleRobotArm)。
手臂一般由上臂、下臂和手腕组成。
末端操作器是直接装在手腕上的一个重要部件,它可以是二手指或多手指的手爪,也可以是喷漆枪、焊具等作业工具。
3.感受系统
感受系统由内部传感模块和外部传感模块组成,用以获取内部和外部环境状态中有意义的信息。
智能传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化的水准。
人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧的,然而,对于一些特殊的信息,传感器比人类的感受系统更有效。
4.机器人——环境交互系统
机器人——环境交互系统是实现工业机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。
工业机器人与外部设备集成为一个功能单元,如加工制造单元、焊接单元、装配单元等。
当然,也可以是多台机器人、多台机床或设备、多个零件存储装置等集成为一个执行复杂任务的功能单元。
5.人机交互系统
人机交互系统是使操作人员与机器人控制并与机器人进行联系的装置,例如,计算机的标准终端,指令控制台,信息显示板,危险信号报警器等。
该系统归纳起来分为两大类:
指令给定装置和信息显示装置。
6.控制系统
控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。
假如工业机器人不具备信息反馈特征,则为开环控制系统;
若具备信息反馈特征,则为闭环控制系统。
根据控制原理,控制系统可分为程序控制系统、适应性控制系统和人工智能控制系统。
根据控制运动的形式,控制系统可分为点位控制和轨迹控制。
2.2机器人的自由度
正如在工程力学课程中学到的,为了确定点在空间的位置,需要指定三个坐标,就像沿直角坐标轴的x,y和三个坐标。
同样地,如果考虑一个三自由度的三维装置,在它的工作区内可以将任意一点放到所期望的位置。
同样,要确定一个刚体(一个三维物体,而不是一个点)在空间的位置,首先需要在该刚体上选择一个点应指定该点的位置,因此需要三个数据来确定该点的位置。
然而,即使物体的位置已确定,仍有无数种方法来确定该物体的姿态。
为了完全定位空间的物体,除了确定物体上的所选点的位置外,还须确定该物体的姿态。
这就意味着需要六个数据才能完全确定刚体物体的位置和姿态。
基于同样的理由,需要六个自由度才能将物体放置到空间的期望位姿。
如果少于六个自由度,机器人的能力将受到很大的限制。
为了说明这个问题,考虑一个三自由度机器人,它只能沿x,y和z轴运动。
在这种情况下,不能指定机械手的姿态。
此时,机器人只能夹持物体做平行于坐标轴的运动,姿态保持不变。
再假设一个机器人有五个自由度,可以绕三个坐标轴旋转,但只能沿x和y轴运动。
这时虽然可以任意地指定姿态,但只能沿x和y轴而不可能沿z轴给部件定位。
具有七个自由度的系统没有唯一解。
这就意味着,如果一个机器人有七个自由度,那么机器人可以有无穷多种方法在期望位置为部件定位和定姿。
为了使控制器知道具体怎么做,必须有附加的决策程序使机器人能够从无数种方法中只选择出一种。
例如,可以采用最优程序来选择最快或最短路径到达目的地。
为此,计算机必须检验所有的解,从中找出最短或最快的响应并执行之。
2.3课题组总框架
本课题组是一个完整的工业机器人遥操作嵌入式伺服控制系统设计,由示教操作器、规划器和嵌入式伺服控制器组成,总体框图见附录一。
操作器是操作人员控制工业机器人的人际交互系统,在操作端,操作者通过操纵杆、键盘等人机交互设备发出命令,一方面这些控制命令通过通信环节送往远端的机器人系统,另一方面通过总线通信,现场机器人的运动状态信息都可以反馈到操作端。
操作作者向远端机器人发出的指令既可以是低级的运动指令,也可以是高级的任务级指令。
规划器主要负责路径规划,即根据作业任务确定实时计算和生成运动轨迹。
接收从操作器接受任务,完成路径规划,在发出给控制器命令。
在规划中,不仅要规定机器人的起始点和终止点,而且要给出中间点(路径点)的位姿及路径点之间的时间分配,即给出两个路径点之间的运动时间。
控制器除了接收上位机发出的命令外,主要负责控制驱动器和完成以速度为反馈信号的闭环控制。
详细信息见下一节。
2.4控制器的功能及设计思路
2.4.1控制器的功能
控制器的功能主要包括用硬件实现智能控制算法,同时完成任务的合理调度、实时控制和网络功能,使控制器具有良好的稳定性、较好自适应性、高可靠性、快速性、高的跟踪精度[4]。
控制器采用的参数自调整在线插值模糊控制算法可以实现误差无限分档和比例因子在线调整。
首先,接收上位机命令,监视机器人状态。
然后,运用矢量控制算法完成关节电机的运动控制并完成单关节的位置闭环,主控制器将关节转动的角位移、角加速度等命令参数,每个伺服周期进行一次位置、速度的检查,如果未达到指定的位置,则继续运动或者加速,将要达到指定位置时会自动的按照设定的加速度进行减速,完成关节空间的位置闭环控制。
这样不仅克服了运动超调的现象,而且使得系统加减速时运行平稳[5]。
2.4.2控制器的设计思路
本课题是一个完整的工业机器人遥操作嵌入式伺服控制系统设计的一部分——嵌入式伺服控制器的软硬件电路原理设计,主要包括以下内容:
(1)控制信号输出电路的设计
分析、设计机器人各控制元件的特性及控制方式,选择合适的驱动控制电路实现对机器人各自由度的控制。
并根据从上位机传来的操作指示,发出相应的控制信号。
(2)与上位机连接的通信电路的设计
利用CAN总线完成遥操作器、规划器与嵌入式伺服控制器之间可靠的双向数据传输,从而实现机器人的遥操作,保证数据传输的准确性、可靠性和实时性。
(3)反馈信号的采集与处理
利用光电编码器输出的信息,经过合理的处理,得到电机的转向、转速等信息。
将处理后的信号通过CAN总线上报给规划器,使规划器作出相应调整,以保证电机运转的准确性,可靠性。
3硬件设计与选型
3.1MPS430单片机概述
3.1.1MPS430单片机系列概述
TI公司的MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器,其中包括一系列器件,它们针对不同的应用而由各种不同的模块组成。
这些微控制器被设计为可用电池工作。
而且可以有很长使用时间的应用。
它们具有16位RISC结构,CPU中的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率;
灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗;
数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒,在少于6us的时间内激活到活跃的工作方式[6]。
MSP430系列单片机具有丰富的片内外设,有极其广阔的应用范围。
MSP430系列单片机具有以下一些共同的特点。
1)低电压、超低功耗
MSP430系列单片机,在1.8~3.6V电压、1MHz的时钟条件下运行。
耗电电流(在0.1~400uA之间)因不同的工作模式而不同;
具有16个中断源,并且可以任意嵌套,使用灵活方便;
用中断请求将CPU唤醒只要6us,可编制出实时性特别高的源代码;
可将CPU置于省电模式,以用中断方式唤醒程序。
2)强大的处理能力
MSP430系列单片机,为16位RISC结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;
大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;
还有高效的查表处理方法;
有较高的处理速度,在8MHz晶体驱动下,指令周期为125us。
这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
3)系统工作稳定
上电复位后,首先由DCOCLK启动CPU,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。
然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。
如果晶体振荡器在用作CPU时钟MCLK时发生故障,DCO会自动启动,以保证系统正常工作;
如果程序跑飞,可用看门狗将其复位。
4)丰富的片内外设
MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。
它们分别是以下一些模块的不同组合:
外围模看门狗(WDT)定时器A(Timer-A)定时器B(Timer-B)
比较器串口0、1(USART0、1)硬件乘法器
液晶驱动器10位/12位ADC14位ADC(ADCl4)
端口0(P0)端口1~6(P1~P6)基本定时器(BasicTimer)
以上外围模块再加上多种存储器方式就构成了不同型号的器件。
其中,看门狗可以使程序失控时迅速复位;
比较器进行模拟电压的比较,配合定时器可以设计为A/D转换器;
定时器具有捕获/比较功能,可用于事件计数、时序发生、PWM等;
有的器件更具有两个串口,可方便地实现多机通信等应用;
具有较多的并行端口,最多达6×
8条I/O口线,而且I/O口线具有中断能力;
12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率,最高可达200kbps,能满足大多数数据采集应用;
能直接驱动液晶多达120段。
MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。
5)方便高效的开发环境
目前MSP430系列有4种类型器件:
OTP型、FLASH型、EPROM型和ROM型。
这些器件的开发手段不同。
对于OTF型和ROM型的器件是用相对应的EPROM型器件作为开发片,或使用仿真器开发成功之后再烧写或掩膜芯片;
而对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境,因为器件片内有JTAG调试接口,还有可电擦写的FLASH存储器,因此采用先下载程序到FLASH内,再在器件内通过软件控制程序的运行,由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。
这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器,而不需要仿真器和编程器。
开发语言可选择汇编语言和C语言。
3.1.2MSP430F449概述
MSP430F449芯片(图3.1)是MSP430芯片中功能较多的一款MCU。
MSP430F449的特点是[7]:
1)低工作电压:
1.8V~3.6V。
2)超低功耗:
活动模式280uA@1Mz,2.2V;
待机模式1.1uA;
掉电模式(RAM数据保持)0.1uA。
3)5种节电模式。
4)从待机到唤醒不到6us。
5)12位A/D转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性。
6)16位精简指令结构(RISC),150us指令周期。
7)带有3个捕获/比较器的16位定时器有:
定时器A和定时器B。
8)2个串行通信模块USART0/1,可软件选择UART/SPI模式。
片内比较器配合其他器件可构成单斜边A/D转换器。
9)可编程电压检测器。
10)线串行编程,不需要外部编程电压。
11)驱动液晶能力可达160段。
12)可编程的保险熔丝可保护设计者密码。
13)FLASH存储器多达60KB,RAM多达2KB。
图3.1MSP430F449引脚图
3.2CAN总线接口设计
3.2.1CAN总线简介
3.2.1.1概述
对于一般控制,设备间连锁可以通过串行网络完成。
因此,BOSCH公司开发了CAN总线(ControllerAreaNetwork)[8],并已取得国际标准化组织认证(ISO11898),其总线结构可参照ISO/OSI参考模型。
同时,国际上一些大的半导体厂商也积极开发出支持CAN总线的专用芯片。
通过CAN总线,传感器、控制器和执行器由串行数据线连接起来。
它不仅仅是将电缆按树形结构连接起来,其通信协议相当于ISO/OSI参考模型中的数据链路层,网络可根据协议探测和纠正数据传输过程中因电磁干扰而产生的数据错误。
CAN网络的配制比较容易,允许任何站之间直接进行通信,而无需将所有数据全部汇总到主计算机后再行处理。
3.2.1.2CAN的工作原理
当CAN总线上的一个节点(站)发送数据时,它以报文形式广播给网络中所有节点。
对每个节点来说,无论数据是否是发给自己的,都对其进行接收。
每组报文开头的11位字符为标识符,定义
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