（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）五自由度教學(xué)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

哈爾濱t 程人學(xué)碩十學(xué)能論文 摘要 在機(jī)器人的研究領(lǐng)域中，如何有效地提高機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制性能始 終是研究學(xué)者十分關(guān)注的一個(gè)重要內(nèi)容。在分析了工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展歷程和 機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀后，本論文的主要目標(biāo)是建立一個(gè)新型全數(shù)字的 基于a t m a g e l 2 8 和f i g a 的機(jī)器人位置伺服控制系統(tǒng)的軟、硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn) 對(duì)五自由度教學(xué)機(jī)器人的精確控制。 本論文分析了所研究的五自由度教學(xué)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)。在明確了實(shí)現(xiàn) 機(jī)器入精確位置伺服控制的控制原理后，在分析對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)的諸多可 行性方案的基礎(chǔ)上，確定采用了兩級(jí)c p u 控制體系結(jié)構(gòu)：第一級(jí)c p u 為上 位計(jì)算機(jī)，它實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的系統(tǒng)管理、協(xié)調(diào)控制以及完成機(jī)器人實(shí)時(shí)軌跡 規(guī)劃等控制算法的運(yùn)算：第二級(jí)c p u 為高性能的a t m e g a l 2 8 處理器，輔之 以具有高速并行處理能力的f p g a 芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人多個(gè)關(guān)節(jié)的高速并 行驅(qū)動(dòng)；采用串口實(shí)現(xiàn)上位計(jì)算機(jī)與下位控制器之間的數(shù)據(jù)通信，這樣既保 證了兩者之間連接方便，又有效的提高了控制系統(tǒng)的通信速度和可靠性。 機(jī)器人系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：一是采用v c 魯+ 實(shí)現(xiàn)的上位監(jiān)控 軟件系統(tǒng)，它主要負(fù)責(zé)機(jī)器人實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃等控制算法的運(yùn)算，同時(shí)完成用 戶與機(jī)器入系統(tǒng)之間的信息交互：二是采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)u c o si i 實(shí)現(xiàn)的下 位機(jī)控制程序，它主要負(fù)責(zé)接收上位監(jiān)控系統(tǒng)的命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的實(shí)時(shí) 驅(qū)動(dòng)，同時(shí)還能夠?qū)崟r(shí)的向上位監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)器人反饋的當(dāng)前狀態(tài)信息。 研究開(kāi)發(fā)出的五自由度教學(xué)機(jī)器入控制器具有控制實(shí)時(shí)性好、定位精度 高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，它允許用戶通過(guò)上位控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的 各種設(shè)定作業(yè)的控制。 關(guān)鍵詞：教學(xué)機(jī)器人；多自由度伺服控制器；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；a t m e g a l 2 8 哈爾濱t 程人學(xué)碩十學(xué)侍論文 a b s t r a c t i nt h ef i e l do fr o b o tr e s e a r c h , i ti sa ni m p o r t a n tc o n t e n tt h a t e f f e c t i v e l y e n h a n c e st h er o b o tc o n t r o ls y s t e m sp e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h e d e v e l o p m e n to fi n d u s t r y r o b o ta n dt h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no fr o b o t c o n t r o l l e r t h ee s s e n t i a l l yt a r g e t so ft h i s a r t i c l ei se s t a b l i s h e dan e we n t i r e l y d i g i t a lr o b o tp o s i t i o ns e r v o - c o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ea t m e g a l 2 8a n df p g a f o rt h ef i v em u l t i - j o i n t sr o b o t t h i sp a p e ra n a l y z e st h eb o d ys t r u c t u r eo ft h ef i v em u l t i - j o i n t sr o b o t a f t e r e x a c tl o c a t i o ns e r v o - c u n t r o lt h e o r yo ft h er o b o ti sc l e a r l yr e a l i z e d , i ts t u d i e sa n d c o m p a r e sm a n yf e a s i b l er o b o tc o n t r o ls y s t e mp l a n s f i n a l l yi td e c i d e st oa d o p tt h e t w o - s t a g ec p uc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r e ：o nt h e f i r s t s t a g ei s t h ep e r s o n a l c o m p u t e r i tr e a l i z e st h ea d m i n i s t r a t i o n ，t h ec o - c o n t r o lo f t h er o b o ts y s t e ma sw e l l a sa c c o m p l i s h e st h er o b o t sr e n l - t i m ep a t hp l a nb yu s i n ga d v a n c e dc o n t r o l a l g o f i t i n n t h ea t m e g a l 2 8 州t l ih i g hp e r f o r m a n c e 缸0 1 1t h es e c o n ds t a g e i ti s a s s i s t e db yt h ef p g a c h i pw i t ht h ea b i l i t yo fh i g hs p e e da n dp a r a l l e lp r o c e s s i n g a n di tm a k e st h er o b o t sf i v ej o i n t sr o t a t ep a r a l l e l 誚t hh i g hs p e e d i na d d i t i o n ，t h e p ca n dt h e a t m e g a l 2 8c o m m u n i c a t e s w i t hu a r tp o r t t h eu a r t c o m m u n i c a t i o nm o d en o to n l yg u a r a n t e e st h ec o m m u n i c a t i o n sc o n v e n i e n c e ，b u t a l s oe f f e c t i v e l ye n h a n c e st h ec o n t r o ls y s t e m sr e a l - t i m ea n dr e l i a b i l i t y r o b o tc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g ni n c l u d i n gt w op a r t s ：t h ef i r s tp a r tu s e s t h ev c 年+ t or e a l i z et h er o b o tc o n t r o la l g o r i t h ma n dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h e u 辯a n dt h er o b o ts y s t e mi nr e a l t i m e t h es e c o n dp a r ti sb a s e d0 1 1u c o s e m b e d d e ds y s t e m i tr e a l i z e st h ef u n c t i o no fd r i v i n gt h er o b o tm o t o rb yg e t t i n g c o m m a n d sf r o mp c ，a n dt h ef u n c t i o no ff e e d i n gb a c kr o b o t sr e a l - t i m el o c a t i o n a n ds t a t u si n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea b o v ed e s i g n ，i tw o r k so u tt h er o b o tc o n t r o ls y s t e ma n d f m d si th a sav e r yg o o dr e a l - t i m ep r o p e r t y , h i g hp o s i t i o np r e c i s i o n , s t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t y i ta l l o w st h eu s e rt oc o n t r o lt h er o b o tb yo p e r a t i n g o nt h ep c k e y w o r d s ：t e a c h - r o b o t ；n u m e r o u sd c s e r v o m o t o rc o n t r o l ；r t o s ；a t m e g a l 2 8 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導(dǎo)師的 指導(dǎo)下，由作者本人獨(dú)立完成的。有關(guān)觀點(diǎn)、方法、 數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)的引用已在文中指出，并與參考文獻(xiàn)相對(duì) 應(yīng)。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何 其他個(gè)人或集體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果。對(duì)本文的 研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確 方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人 承擔(dān)。 作者( 簽字) ：圣! ：望望 日期：o 刁年f 月2 午日 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 本文選題目的及意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是進(jìn)入9 0 年代以來(lái)，機(jī)器人技術(shù)的 進(jìn)步與其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，引起了各國(guó)專家學(xué)者的普遍關(guān)注許多發(fā) 達(dá)國(guó)家均把機(jī)器人技術(shù)的開(kāi)發(fā)、研究列入國(guó)家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。世界各國(guó) 普遍在高等院校為大學(xué)本科生及研究生開(kāi)設(shè)出介紹機(jī)器人技術(shù)的有關(guān)課程。 為了培養(yǎng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)方面的人才，我國(guó)很多高校也 為本科生和研究生開(kāi)設(shè)了機(jī)器人學(xué)課程。筆者所開(kāi)發(fā)的教學(xué)機(jī)器人，以示教 再現(xiàn)控制為主，可以很好的說(shuō)明工業(yè)機(jī)器人的工作原理和工作過(guò)程。將其作 為機(jī)器人學(xué)、機(jī)器人技術(shù)及機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程及機(jī)械電 子工程專業(yè)機(jī)電結(jié)合的綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不僅可以使學(xué)生在輕松愉快的氛 圍中充分理解相關(guān)課程的專業(yè)知識(shí)，而且可以激發(fā)學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，使 他們樹(shù)立系統(tǒng)工程概念，培養(yǎng)其獨(dú)立開(kāi)展科學(xué)研究的能力因此，本教學(xué)機(jī) 器人的研制成功，對(duì)機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)有著十分重要的意義。 本課題的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)具有示教再現(xiàn)功能的五自由度的教學(xué)機(jī)器人， 通過(guò)控制三個(gè)位置自由度，兩個(gè)姿態(tài)自由度及手爪自由度，使其能在作業(yè)空 間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，向?qū)W生生動(dòng)地演示機(jī)器人的基本原理，培養(yǎng)其對(duì)機(jī)器人的興趣。 隨著我國(guó)高等教育的進(jìn)一步發(fā)展，尤其對(duì)機(jī)器人技術(shù)方面人才的需求進(jìn) 一步擴(kuò)大，教學(xué)機(jī)器人作為一種直觀的教學(xué)方式，將抽象的機(jī)器人學(xué)，控制 理論和機(jī)電一體化設(shè)計(jì)等多門(mén)學(xué)科的理論知識(shí)，蘊(yùn)于具體形象實(shí)際的機(jī)器人 中，讓學(xué)生在實(shí)踐的環(huán)境下學(xué)習(xí)理論知識(shí)，從中驗(yàn)證書(shū)中的各個(gè)定理及知識(shí) 點(diǎn)，侵其更好的掌握專業(yè)知識(shí)，綜合了解各個(gè)學(xué)科之間的內(nèi)在聯(lián)系，因此對(duì) 機(jī)器人的教學(xué)有很重要的意義“1 。 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 1 2 1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展情況 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展始于2 0 世紀(jì)年代，1 9 5 4 年美國(guó)戴沃爾發(fā)表了“通用 重復(fù)型機(jī)器人”的專利論文，第一次提出了“工業(yè)機(jī)器人“的概念。1 9 5 8 年 美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)數(shù)控工業(yè)機(jī)器人原型。1 9 5 9 年美國(guó) u n i m a t i o n 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人美國(guó)是機(jī)器人的故鄉(xiāng)。 6 0 年代隨著傳感技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，這時(shí)是工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展初 期，機(jī)器人開(kāi)始向適用化發(fā)展，并被用于電焊和噴涂作業(yè)。7 0 年代隨著計(jì)算 機(jī)和人工智能的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入適用化時(shí)代。日本雖起步較晚，但結(jié)合國(guó) 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵(lì)使用機(jī)器人的措施。其機(jī)器人擁有量 很快超過(guò)了美國(guó)，一舉成為“機(jī)器人王國(guó)” 年代工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入發(fā)展中期，汽車(chē)、電子等行業(yè)開(kāi)始大量使用工業(yè) 機(jī)器人，推動(dòng)了機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用滿足了人們特性化的 要求，產(chǎn)品的批量越來(lái)越大，品種越來(lái)越多，而且產(chǎn)品的一致性也大大提高， 為商家占有了更多的市場(chǎng)份額，獲得了更多的市場(chǎng)利潤(rùn)。 如年代初期，工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)與需求達(dá)到了一個(gè)技術(shù)成熟期，1 9 9 0 年世界上新裝備工業(yè)機(jī)器人8 0 9 4 3 臺(tái)，1 9 9 1 年裝備了7 6 4 4 3 臺(tái)，到1 9 9 1 年 底世界上已有5 3 萬(wàn)臺(tái)工業(yè)機(jī)器人工作在各條戰(zhàn)線上。 1 2 2 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 國(guó)外工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì)： ( 1 ) 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作 和維修) ，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從1 9 9 1 年的l o 3 萬(wàn)美元降至 1 9 9 7 年的6 5 萬(wàn)美元。 ( 2 ) 機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、 減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人 2 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 整機(jī)；國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 ( 3 ) 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于p c 機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于 標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)； 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 ( 4 ) 機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速 度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī) 器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模 及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 ( 5 ) 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控 制，如遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人0 1 。 ( 6 ) 當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于 操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙 控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上 的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例“1 。 ( 7 ) 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從1 9 9 4 年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以 來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的 領(lǐng)域“ 教學(xué)機(jī)器人作為機(jī)器人教學(xué)的基礎(chǔ)，在機(jī)器人教育方面有重要的意義， 因此各國(guó)都致力于教學(xué)機(jī)器人平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與研制。例如德國(guó)研制了新型的教 學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖1 1 所示。其由一個(gè)五自由度的機(jī)械臂和一個(gè)視覺(jué) 系統(tǒng)構(gòu)成。機(jī)械臂有底部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰三個(gè)位置自由度和小臂 回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)兩個(gè)姿態(tài)自由度，手腕上裝有電機(jī)，以控制手爪的開(kāi)合。通 過(guò)攝像頭采集的視覺(jué)信號(hào)作為機(jī)械臂的末端位置反饋到上位機(jī)中，在上位機(jī) 中進(jìn)行視覺(jué)伺服的算法，然后將各個(gè)關(guān)節(jié)的位置輸出給機(jī)械手的伺服控制器， 從而進(jìn)行末端位置的控制，這樣構(gòu)成了一個(gè)具有視覺(jué)反饋功能的、簡(jiǎn)單的教 學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)“1 。 3 哈爾濱一喇暈大學(xué)碩十學(xué)位論文 圖1 1 德國(guó)新型教學(xué)機(jī)器入實(shí)驗(yàn)平臺(tái) 1 2 3 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從8 0 年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持 下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè) 計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn) 了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人； 其中有1 3 0 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近3 0 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線( 站) 上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。 但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外相比還 有一定的距離，如：可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用 領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外相比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)已安裝的 國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約2 0 0 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是 沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求。“一客戶， 一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、 成本高，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技 術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè) 化進(jìn)程。我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“8 6 3 ”計(jì)劃的支持下，也取得了 不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6 0 0 0 米水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居 世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器 4 哈爾濱一r ：程大學(xué)碩十學(xué)位論文 人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi) 發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控 制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械 等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī) 的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品， 以望在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中“”。 在教學(xué)機(jī)器人方面，我國(guó)各大高校分別研制了各種類(lèi)型的教學(xué)機(jī)器人。 主要有清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的四軸直角坐標(biāo)系教學(xué)機(jī)器人，如圖1 2 所示。這 個(gè)教學(xué)機(jī)器人是一種串聯(lián)式的機(jī)器人，由x 、y 、z 三個(gè)正交的自由度構(gòu)成。 串聯(lián)式機(jī)器人是一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在自動(dòng)搬運(yùn)、裝配、焊接、噴涂等 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，通過(guò)該系列教學(xué)機(jī)器人可使學(xué)生能夠模擬工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際運(yùn)行狀況。其結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，具有高度的靈活性，是進(jìn) 行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和編程系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想對(duì)象 圖1 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的四軸直角坐標(biāo)系教學(xué)機(jī)器人 上海交通大學(xué)研制的教學(xué)機(jī)器人如圖1 3 所示其屬于典型的關(guān)節(jié)式機(jī)器 人，包括底部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰三個(gè)位置自由度和小臂回轉(zhuǎn)、手腕 俯仰、手腕回轉(zhuǎn)三個(gè)姿態(tài)自由度，展示了現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的一般特征；它能 夠演示現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的典型應(yīng)用；在一定程度上滿足機(jī)器人理論研究的需 要“。 5 哈爾濱下程人學(xué)碩七學(xué)位論文 圖1 3 上海交通大學(xué)的六自由度教學(xué)機(jī)器人 1 3 論文主要工作內(nèi)容 本課題主要研究五自由度教學(xué)機(jī)器人樣機(jī)控制系統(tǒng)的研制，包括：硬件 電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試兩大部分。論文的主要內(nèi)容如下： ( 1 ) 教學(xué)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括：教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)；教學(xué) 機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 ( 2 ) 硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)；基于f p g a 的電機(jī)伺服模塊設(shè)計(jì)；單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ( 3 ) 軟件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括：數(shù)字p i d 控制算法設(shè)計(jì)；u c o s1 i 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)造；與上位機(jī)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。 ( 4 ) 樣機(jī)的研制與實(shí)驗(yàn)，主要包括：硬件系統(tǒng)的調(diào)試；軟件系統(tǒng)的調(diào)試； 控制系統(tǒng)性能的調(diào)試。 6 哈爾濱一i ：程大學(xué)碩十學(xué)位論文 第2 章機(jī)器人的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案 本機(jī)器人系統(tǒng)主要作為教學(xué)研究用，其工作環(huán)境為教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，要求它 能夠進(jìn)行連續(xù)軌跡控制，同時(shí)應(yīng)該具有示教再現(xiàn)功能機(jī)器人的主要參數(shù)包 括：坐標(biāo)形式、各個(gè)桿件的長(zhǎng)度，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)精度和 負(fù)載能力等 由于機(jī)器人是教學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)器人，主要用來(lái)完成一些實(shí)驗(yàn)、演示機(jī)器人的 基本功能、完成機(jī)器入的操作方法訓(xùn)練，以便了解機(jī)器人的工作原理和使用 方法。因此對(duì)機(jī)器人的負(fù)載能力、運(yùn)動(dòng)速度要求較低，希望系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡量 簡(jiǎn)單、成本低，控制功能比較強(qiáng)。由此對(duì)研制的五自由度教學(xué)機(jī)器人提出以 下幾點(diǎn)技術(shù)要求； ( 1 ) 重量輕，不能超過(guò)5 公斤，要求結(jié)構(gòu)緊湊； ( 2 ) 機(jī)械臂末端手爪的誤差不超過(guò)5 m m ； ( 3 ) 要求手爪能抓取1 公斤的物體 2 1 1 坐標(biāo)形式 工業(yè)機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)坐標(biāo)特點(diǎn)可分為以下幾種如圖2 1 所示。 ( 1 ) 直角坐標(biāo)型三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)方向互相垂直，其控制方案和數(shù)控機(jī)床相 似。這一結(jié)構(gòu)各軸線位移分辨率在操作空間內(nèi)任一點(diǎn)上均為恒定，但是操作 靈活性較差，體積比較大。 ( 2 ) 圓柱坐標(biāo)型在水平轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有立柱，水平臂可沿立柱作上下運(yùn)動(dòng)并 可在水平方向伸縮。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作過(guò)程中負(fù)荷變動(dòng)少，容易控制，缺 點(diǎn)是動(dòng)作區(qū)域狹窄。 ( 3 ) 球坐標(biāo)型和圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)更為靈活，占地面積小， 7 哈爾濱下程人學(xué)碩士學(xué)位論文 工作空間大，但是移動(dòng)關(guān)節(jié)不易防護(hù) ( 4 ) 關(guān)節(jié)型這類(lèi)機(jī)器人由兩個(gè)肩關(guān)節(jié)和一個(gè)肘關(guān)節(jié)進(jìn)行定位，由兩個(gè)或 三個(gè)腕關(guān)節(jié)定向。其中一個(gè)肩關(guān)節(jié)繞鉛直軸旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)俯仰， 這兩個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線正交。肘關(guān)節(jié)平行于第二個(gè)肩關(guān)節(jié)軸線。這種結(jié)構(gòu)動(dòng)作靈 活，工作空間大，在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小， 手爪可獲得較高的線速度。目前中小型機(jī)器人多采用這種結(jié)構(gòu)。 ( 5 ) s c a r a 型這種機(jī)器人有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其軸線相互平行，在平面 內(nèi)進(jìn)行定位和定向。另一個(gè)關(guān)節(jié)是移動(dòng)關(guān)節(jié)，完成垂直平面的移動(dòng)。它特別 適用于把針腳等零件插入孔穴的場(chǎng)合，在完成精密裝配操作任務(wù)中能充分發(fā) 揮其效益“”。 圖2 1 機(jī)器人的坐標(biāo)形式 機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性通常用質(zhì)量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和 振動(dòng)模態(tài)來(lái)描述。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量減 少質(zhì)量和慣量，提高結(jié)構(gòu)剛度和系統(tǒng)的固有頻率，增加阻尼。本系統(tǒng)采用關(guān) 節(jié)式五自由度的運(yùn)動(dòng)形式。關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)形式的機(jī)器人動(dòng)作靈活、工作空閫大、 8 哈爾濱t 程人學(xué)碩十學(xué)位論文 在作業(yè)空間內(nèi)手臂的干涉最小、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、關(guān)節(jié)相對(duì)部位密封 防塵。但關(guān)節(jié)型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理較復(fù)雜，逆解困難，確定末端件的位置 不直觀，進(jìn)行控制時(shí)計(jì)算量比較大。筆者設(shè)計(jì)的五自由度教學(xué)機(jī)器人的機(jī)械 結(jié)構(gòu)圖如圖2 2 所示。該五自由度教學(xué)機(jī)器人包括：底部的腰回轉(zhuǎn)、大臂的 俯仰、小臂的俯仰三個(gè)位置自由度和小臂的回轉(zhuǎn)、手腕俯仰兩個(gè)姿態(tài)自由度 和手爪抓取的動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都用一個(gè)直流伺服電機(jī)加以驅(qū)動(dòng)，因此這個(gè)機(jī) 器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要六個(gè)直流伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。 圖2 2 五自由度教學(xué)機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 五自由度教學(xué)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)，材料選用硬鋁合 金，如表2 1 所示。 9 哈爾濱丁程人學(xué)碩十學(xué)位論文 表2 1 機(jī)器人系統(tǒng)的基本參數(shù) 末端負(fù)載質(zhì)量 l k g 高度3 0 0 r a i n 稈長(zhǎng)大臂長(zhǎng)2 6 0 m m 小臂長(zhǎng) 2 6 0 r a m 腰回轉(zhuǎn) 蜘 大臂俯仰 土4 5 。 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍小臂俯仰土4 5 。 小臂回轉(zhuǎn) 土9 0 。 手爪俯仰 9 0 。 手爪開(kāi)合寬度l m m - 5 m m 定位精度末端重復(fù)定位精度5 m 2 1 2 驅(qū)動(dòng)方案 驅(qū)動(dòng)方案包括確定機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式和驅(qū)動(dòng)元件。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式有電 機(jī)、液壓和氣動(dòng)三種。電動(dòng)系統(tǒng)適合于中等負(fù)載、動(dòng)作復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡嚴(yán)格 的場(chǎng)合。關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種。關(guān)節(jié)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 ( d d r ) 將電機(jī)直接做在關(guān)節(jié)上。目前大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)，即 電機(jī)通過(guò)減速器裝載以關(guān)節(jié)軸相連。 在選擇機(jī)器人的制造材料時(shí)要綜合考慮材料的強(qiáng)度、剛度、比重、彈性、 抗振性、可加工性、外觀及價(jià)格等。常用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、 鋁、鋁合金等等。本系統(tǒng)采用鋁合金材料。 在機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，可選擇通用的標(biāo)準(zhǔn)零部件，如伺服電機(jī)、減速器， 傳感器和手爪等。對(duì)一些專用的部件則需自行設(shè)計(jì)，如底座、手臂和交叉滾 子軸承等。 本體采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置、速度檢測(cè)系統(tǒng)由電機(jī)的自帶的相對(duì) 式正交編碼器和非接觸式霍爾行程開(kāi)關(guān)構(gòu)成。自研的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上帶有各種 安全保護(hù)與報(bào)警接口，可用于保護(hù)電機(jī)和減速器。各關(guān)節(jié)上采用的電機(jī)及驅(qū) 1 0 哈爾濱：f ：稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 動(dòng)型號(hào)如表2 2 所示 如圖2 2 所示。各個(gè)關(guān)節(jié)的采用的驅(qū)動(dòng)方式分別為： ( 1 ) 底部回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)，通過(guò)一對(duì)錐齒輪進(jìn)行直角傳動(dòng)，傳動(dòng)比為3 4 ； ( 2 ) 大臂俯仰關(guān)節(jié)，通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1 的圓柱直齒輪傳動(dòng)，然后驅(qū)動(dòng) 絲杠螺母進(jìn)行直線傳動(dòng)，推動(dòng)大臂，為減少負(fù)載的影響，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性， 加裝平衡彈簧； ( 3 ) 小臂俯仰關(guān)節(jié)，通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1 的圓柱直齒輪傳動(dòng)，然后驅(qū)動(dòng) 絲杠螺母進(jìn)行直線傳動(dòng)，推動(dòng)小臂，為減少負(fù)載的影響，保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性， 加裝平衡彈簧； ( 4 ) 小臂回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由電機(jī)加減速器童接輸出驅(qū)動(dòng)； ( 5 ) 腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，由一對(duì)錐齒輪直角傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)； ( 6 ) 手爪的開(kāi)合，由絲杠螺母副和一連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。 表2 2 機(jī)器人系統(tǒng)使用部件 關(guān)節(jié)部位電機(jī) 減速器編碼器 伺 腰回轉(zhuǎn) 2 3 4 ：圓d 2 d c r2 4 6 ：1 撕1 2 服 大臂俯仰 籃1 4 2 s 0 2 4 c r3 7 1 ：1m 貓1 2 驅(qū) 動(dòng) 小臂俯仰2 ：1 4 蓉沁別c r 3 7 1 ：1m 2 5 1 2 小臂回轉(zhuǎn)2 3 4 2 s 0 2 妞 2 4 6 ：lm 2 5 1 2 系 手爪俯仰2 3 4 2 s d 2 4 腿 2 4 6 ：1毽2 _ 5 1 2 統(tǒng) 手爪開(kāi)合 2 4 v d c m o | o r 2 2 控制系統(tǒng)方案 2 2 1 控制方式 五自由度教學(xué)機(jī)器人包括：底部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉(zhuǎn)、 手腕俯仰五個(gè)自由度和手爪抓取的動(dòng)作，每個(gè)動(dòng)作都用一個(gè)直流伺服電機(jī)加 以驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人共需要六個(gè)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。就每個(gè)電機(jī)的位置伺服 控制而言，是一個(gè)典型的位置伺服系統(tǒng)，因此采用典型的p i 速度內(nèi)環(huán)加p i d 1 1 哈爾濱1 ：稃大學(xué)碩十學(xué)位論文 位置外環(huán)的控制策略進(jìn)行控制。在實(shí)際系統(tǒng)中，采用單片機(jī)數(shù)字控制的方法， p w m 信號(hào)驅(qū)動(dòng)h 橋的方式作為控制器的輸出驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)工作，以電機(jī)尾部 的相對(duì)式編碼器信號(hào)的作為反饋回路。整個(gè)系統(tǒng)需要6 路獨(dú)立的p w m 輸出 接口，驅(qū)動(dòng)五路伺服電機(jī)以及控制手爪開(kāi)合電機(jī)，5 路正交編碼器輸入接口。 機(jī)器人的控制系統(tǒng)按其控制方式主要有分散控制和集中控制兩種。各種 控制形式的優(yōu)缺點(diǎn)： 1 分散控制 分散控制也稱分級(jí)控制。分級(jí)控制的特點(diǎn)是：功能分散、任務(wù)分散、維 護(hù)容易，適用于回路較多的控制系統(tǒng)。 上位機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)輸入、狀態(tài)顯示，接收下位機(jī)反饋回來(lái) 的信息，經(jīng)過(guò)軌跡規(guī)劃、控制算法，向下位機(jī)發(fā)送控制命令。應(yīng)滿足： ( 1 ) 上位機(jī)應(yīng)該具有比較強(qiáng)的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理能力、具有良好的人 機(jī)接口和操作界面；具有一定數(shù)量的輸出接口、輸入接口，以及通信接口 上位機(jī)可以采用a r m ，d s p 等微處理器，復(fù)雜系統(tǒng)可以采用工控p c ，p c i 0 4 等系統(tǒng)機(jī)。 ( 2 ) 下位機(jī)具有良好的實(shí)時(shí)性?？斓倪\(yùn)算速度，在一個(gè)采樣周期f 毫秒 量級(jí)) 內(nèi)要完成單個(gè)伺服回路的信號(hào)采樣、濾波算法和控制算法，快速實(shí)時(shí)通 信能力、豐富的輸出接口( p w m 或者d a ) 、輸入接口( 快速a d 、編碼器接口、 數(shù)字i o ) 。下位機(jī)可以采用單片機(jī)、d s p 或者專用控制器。 2 集中控制 集中控制與分級(jí)控制正好相反，由一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能。 軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)管理、伺服控制都有一臺(tái)計(jì)算機(jī)完成。集中控制一般采用工 業(yè)p c 機(jī)，p c i 0 4 ，a r m ，d s p 等數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)的計(jì)算機(jī)或者微處理器。 控制計(jì)算機(jī)應(yīng)滿足一下特點(diǎn)： ( 1 ) 滿足比較強(qiáng)的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理能力、具有良好的實(shí)時(shí)性、快的 運(yùn)算速度。在一個(gè)采樣周期( 毫秒量級(jí)) 內(nèi)完成系統(tǒng)的各個(gè)伺服回路的控制算 法、信號(hào)采樣、濾波算法、軌跡規(guī)劃等； ( 2 ) 具有良好的人機(jī)接口和操作界面； ( 3 ) 具有一定數(shù)量的輸入輸出接口，以及通信界面。 哈爾濱t 程人學(xué)碩十學(xué)位論文 在五自由度教學(xué)機(jī)器人這個(gè)實(shí)例上，采用分級(jí)控制的方案，由p c 機(jī)構(gòu) 成上位機(jī)，完成軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)管理的算法；下位機(jī)由一個(gè)或者幾個(gè)單片機(jī) 完成對(duì)六個(gè)關(guān)節(jié)的伺服控制”。 方案一：使用6 個(gè)微處理器對(duì)6 個(gè)電機(jī)進(jìn)行分別控制，六個(gè)微處理器之 間分別與上位機(jī)進(jìn)行通信。這樣每個(gè)微處理器上實(shí)現(xiàn)一路電機(jī)的閉環(huán)控制。 優(yōu)點(diǎn)是：在軟件實(shí)現(xiàn)方面簡(jiǎn)單，成本比較低。缺點(diǎn)：系統(tǒng)比較龐大，耦合嚴(yán) 重，造成與主機(jī)通訊協(xié)議復(fù)雜，可靠性比較低。 方案二：將6 個(gè)電機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制，將6 路的閉環(huán)控制算法在一個(gè)微處 理器上實(shí)現(xiàn)。對(duì)這個(gè)微處理器的要求比較高，并且要求接口豐富，特別是p w m 輸出和q e p 正交編碼器接口。優(yōu)點(diǎn)是：規(guī)模小，集成度高，可靠性高，并且 和上位機(jī)單獨(dú)通信，協(xié)議簡(jiǎn)單，可靠性高。缺點(diǎn)：成本較高。 經(jīng)過(guò)比較兩個(gè)方案的優(yōu)劣，筆者采用方案二的控制方案。因此整個(gè)系統(tǒng) 需要一個(gè)具有計(jì)算速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、6 路獨(dú)立p w m 輸出、6 路正交 編碼器輸入、一定數(shù)量i o 的處理器。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有帶6 路電機(jī) 正交編碼器輸入接口的處理器。 經(jīng)過(guò)一番實(shí)踐，筆者摸索出一種全新的多自由度的電機(jī)伺服方案，選用 a t m e g a l 2 8 + f p g a ( 現(xiàn), 場(chǎng)可編程門(mén)陣列) 的硬件構(gòu)架來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)器人的六 個(gè)關(guān)節(jié)的伺服控制，其總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 3 所示。 圖2 3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 哈爾濱【程大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 工作原理 整個(gè)系統(tǒng)是由a t m c g a l 2 8 高性能單片機(jī)、功率放大模塊、存儲(chǔ)模塊、通 信模塊、f p g a 模塊等組成。其中單片機(jī)主要負(fù)責(zé)控制算法的計(jì)算，功率放 大模塊實(shí)現(xiàn)p w m ( 脈寬調(diào)制) 信號(hào)的放大及電機(jī)的過(guò)流保護(hù)，存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)示 教再現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄，通信模塊負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行通訊，f p g a 模塊實(shí)現(xiàn) 六路正交編碼器接口、i o 擴(kuò)展、單片機(jī)中斷擴(kuò)展及單片機(jī)外部地址總線的 地址譯碼。其系統(tǒng)的特點(diǎn)有： ( 1 ) a t m e g a l 2 8 為c p u ，當(dāng)外部時(shí)鐘為1 4 7 4 5 6 m h z 時(shí)，1 4 7 4 5 6 m i p s 的運(yùn)算能力“”； ( 2 ) 3 2 k 的外部s r a m ，提供程序的運(yùn)行數(shù)據(jù)空問(wèn)； ( 3 ) 1 m b 的串行f l a s h 存儲(chǔ)器，存放海量數(shù)據(jù)； ( 4 ) f p g a 實(shí)現(xiàn)6 路正交編碼器接口、1 6 位的數(shù)字f o 等數(shù)字電路； ( 5 ) 6 路獨(dú)立的p w m 輸出隔離，通過(guò)h 橋功率放大，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)； ( 6 ) 通過(guò)r s 2 3 2 通訊接口與上位機(jī)通訊，簡(jiǎn)單，實(shí)用。 在控制系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生周期為5 m s 的采 樣時(shí)間中斷，以使采樣時(shí)間任務(wù)由掛起狀態(tài)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。 在采樣時(shí)間任務(wù)里，通過(guò)數(shù)據(jù)地址總線讀取f p g a 內(nèi)部的各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng) 的正交編碼器計(jì)數(shù)器寄存器，經(jīng)過(guò)辨向，得到各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的電機(jī)當(dāng)前位置， 然后由單片機(jī)進(jìn)行位置及速度閉環(huán)伺服控制算法得到輸出的控制量，即p w m 的占空比，經(jīng)過(guò)功率放大，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在這過(guò)程中驅(qū)動(dòng)模塊的電流采樣環(huán) 節(jié)對(duì)電機(jī)的電樞電流進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定的闞值時(shí)，關(guān)閉驅(qū)動(dòng) 模塊以保護(hù)電機(jī)。 單片機(jī)通過(guò)串行接收中斷對(duì)上位機(jī)的命令進(jìn)行檢測(cè)，以實(shí)時(shí)的響應(yīng)來(lái)自 上位機(jī)的各種命令，并做出應(yīng)答。同時(shí)當(dāng)六個(gè)電機(jī)的某一個(gè)發(fā)生過(guò)流現(xiàn)象時(shí)、 或當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)超過(guò)極限行程時(shí)等錯(cuò)誤狀態(tài)時(shí)，通過(guò)發(fā)送錯(cuò)誤代碼向上位機(jī) 進(jìn)行報(bào)警。 1 4 啥爾濱_ t 稃人學(xué)碩十學(xué)位論文 2 3 本章小結(jié) 本章主要介紹了機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式， 對(duì)幾種方案作了分析對(duì)比選擇了a t m e g a l 2 8 + f p g a 的控制系統(tǒng)硬件構(gòu)架，同 時(shí)對(duì)課題所研究的五自由度教學(xué)機(jī)器人的控制系統(tǒng)組成及其工作原理作了總 體的介紹。 哈爾濱一【= 程人學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件由主控單片機(jī)a t m c g a l 2 8 、功率放大模塊、f p g a 外設(shè) 擴(kuò)展模塊、通訊模塊和存儲(chǔ)器擴(kuò)展組成。本章將詳細(xì)的介紹每一個(gè)模塊的組 成及功能。 3 1 功率放大模塊的設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑的調(diào)速，在 許多需要調(diào)試或快速正反的電力拖動(dòng)領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī) 轉(zhuǎn)速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系可以可表示為： 露u - i rd o ( 3 1 ) 露_j - 工， k 。巾 式中 轉(zhuǎn)速( r l m i n ) ； u 一電樞電壓( v ) ； ，一電樞電流( 舢； r 一電樞回路總電阻( q ) ； m 一勵(lì)磁磁通m ； 疋一由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。 在上式中，k 是常數(shù)，電流，是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 可以有三種方法： ( 1 ) 改變電樞供電電壓u ； ( 2 ) 減弱勵(lì)磁磁通中； ( 3 ) 改變電樞回路的電阻r 。 對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓 的方式為最好。改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào) 速的范圍不大，往往只能調(diào)壓的方案。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往 以變壓調(diào)速為主”。 哈爾濱下程人學(xué)碩十學(xué)t ：) = 論文 調(diào)節(jié)電樞電壓需要專門(mén)的可控直流電源，生產(chǎn)中常用的可控的直流電源 有以下三種： ( 1 ) 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，用交流電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)組成機(jī)組，可獲得可調(diào)的 直流電壓。 ( 2 ) 靜止式可控整流，用靜止式的可控整流器得到可調(diào)的直流電壓。 ( 3 ) 直流斬波或脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。 由于前兩種適用于大功率的電機(jī)控制，并且設(shè)備龐大，成本昂貴，而教 學(xué)機(jī)器人屬于小功率驅(qū)動(dòng)，因此本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方案選用p w m ( 脈寬調(diào)制) 的方 式作為功率驅(qū)動(dòng)的方式。用功率放大模塊將來(lái)自單片機(jī)的p w m 信號(hào)，進(jìn)行 放大，以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)。 3 1 1p 刪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用p w m ( 脈寬調(diào)制) 的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，把恒定的直流電源 調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的 大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在比較幾種f w m 驅(qū)動(dòng)的方式后，本文采用了h 橋結(jié)構(gòu)的雙極性可逆的驅(qū)動(dòng)電路。該電路有以下的優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 電流一定連續(xù)； ( 2 ) 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行； ( 3 ) 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)： ( 4 ) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬； ( 5 ) 低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠 導(dǎo)通。 雙極性的缺點(diǎn)是；在工作過(guò)程中，4 個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 開(kāi)關(guān)損耗較大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故。 單個(gè)電機(jī)的p w m 功率驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3 1 所示。在功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 中，從單片機(jī)輸出的p w m 信號(hào)，經(jīng)過(guò)一個(gè)7 4 f 0 4 反向器交成兩路相位相反 的p w m 信號(hào)。由于功率端使用p w m 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電流變化較大，如果與數(shù) 字端共地，將嚴(yán)重干擾數(shù)字控制系統(tǒng)。因此用高速光隔隔離數(shù)字控制端和功 率控制端( 由于p w m 的信號(hào)的頻率大約在1 0 k h z 一2 0 k h z 之間，一般的光隔 1 7 哈爾濱1 ：稃人學(xué)碩十學(xué)位論文 的開(kāi)關(guān)的速度已不能滿足要求) ，提高系統(tǒng)的抗干擾性。p w m 信號(hào)經(jīng)過(guò)光隔 后，驅(qū)動(dòng)i r 2 1 1 2 半橋驅(qū)動(dòng)芯片i r 2 1 1 2 內(nèi)部?jī)?nèi)建了延時(shí)電路，以保證上下 橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通。i r 2 1 1 2 驅(qū)動(dòng)4 個(gè)氓f 5 4 0 構(gòu)成的h 橋，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)。m f 5 4 0 是一種高速開(kāi)關(guān)的c m o s 管，持續(xù)工作電流2 3 a ，導(dǎo)通電阻僅“毫歐姆， 管壓降很小，并內(nèi)自帶續(xù)流二極管“” 圖3 1 功率放大模塊結(jié)構(gòu)圖 3 1 2 電流保護(hù)電路設(shè)計(jì) 由于整個(gè)系統(tǒng)所選用的電機(jī)屬于小慣量高速電機(jī)，過(guò)流能力差，當(dāng)電機(jī) 發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)等于零，造成電樞回路的電流急劇上升，如果 不將制止，將發(fā)生電機(jī)燒毀的事件。 因此為了保護(hù)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)增加了電機(jī)電樞回路電流保 護(hù)電路，如圖3 1 所示，在h 橋底部接0 5 歐姆的電流取樣電阻，以采樣h 橋的電流。但是，由于選用p w m 的形式驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此采樣電阻得到的電 壓是頻率為p w m 頻率的脈動(dòng)的電壓信號(hào)，變化較大，不適合做使能控制信 號(hào)。須對(duì)此電壓經(jīng)過(guò)濾波，放大、比較才能控制i r 2 1 1 2 的使能端，以起到過(guò) 流保護(hù)的作用，具體電路如圖3 2 所示。 哈爾濱t = 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 c 2 圖3 2 電流保護(hù)電路 其中l(wèi) m 3 5 8 是單電源寬電壓供電的8 腳的雙運(yùn)算放大器，l m 3 9 3 是集 電極開(kāi)路的模擬比較器。 電路原理：3 5 8 中的一個(gè)運(yùn)算放大器配合外圍的電阻、電容元件構(gòu)成 一個(gè)二階的同相輸入的巴斯特沃低通濾波器，增益為1 ，帶寬為l k i - l z ，其主 要作用有； ( 1 ) 提高采樣的輸入阻抗。 ( 2 ) 濾去p w m 的高頻干擾，得到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的電壓值。 l m 3 9 3 將運(yùn)放得到的電壓與設(shè)定的電壓進(jìn)行比較，若超過(guò)設(shè)定的電壓， 比較器輸出高，使1 r 2 1 1 2 使能端失效，從而關(guān)斷h 橋的四個(gè)c m o s 管，從 而停止電機(jī)，達(dá)到限流，保護(hù)電機(jī)的目的。實(shí)踐中由于功率的電源和地的干 擾比較大，對(duì)運(yùn)放和比較器干擾較大，因此設(shè)定的電壓比理論計(jì)算值大，并 在闕值電壓處，存在斬波現(xiàn)象，屬于正常情況。在理論上濾波器采樣的電壓 有一定的滯后，導(dǎo)致對(duì)電流的滯后( 毫秒量級(jí)) ，但直流電機(jī)具有一定的過(guò)流 能力，而且機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)頻率較低( 在1 0 h z 一1 0 0 h z 之間) ，在實(shí)際中不影響 使用，并取得了良好的電流保護(hù)功能“”。 3 2 基于f p 6 a 的電機(jī)伺服模塊的設(shè)計(jì) 伺服運(yùn)動(dòng)控制器的單片機(jī)除了需要實(shí)時(shí)接受并解釋上位機(jī)的控制指令， 計(jì)算并輸出關(guān)節(jié)電機(jī)的控制信號(hào)外，還得實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換， 哈爾濱下程大學(xué)碩七學(xué)位論文 為了不加重c p u 的工作負(fù)荷( 以往通過(guò)單片機(jī)中斷軟件計(jì)數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)編碼 器計(jì)數(shù)，精度低，而且在編碼器頻率高時(shí)，嚴(yán)重干擾程序的正常執(zhí)行) ，同時(shí) 又保證整個(gè)伺服運(yùn)動(dòng)控制器的實(shí)時(shí)高效性能，決定將關(guān)節(jié)電機(jī)的光電位置編 碼器的反饋脈沖處理和計(jì)數(shù)電路、開(kāi)關(guān)量檢測(cè)電路連同外部設(shè)備地址譯碼電 路，以及系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)綜合電路等模塊在高速的可編程邏輯器件中通過(guò)軟 件編程的方式加以實(shí)現(xiàn)。 f p g a 是現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列( f i e l d p r o g r a m a b l e g a t e a r r a y ) 的簡(jiǎn)稱，它基于 查找表( t o o ku pt a b l e ) 技術(shù)以及s r a m - i - 藝，需要外掛配置用的e p r o m 。 f p g a 與c p t a ) ( 復(fù)雜可編程邏輯器件) 一樣都是可編程邏輯器件，都是在p a l ， g a l 等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的。同以往的p a l ，g a l 相比， f p g a c p l d 都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等 特點(diǎn)。這兩種器件兼容了p l d 和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路， 編程也很靈活。與門(mén)陣列等其它a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i 6 ci c ) 相比，它們又 具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、 質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和 產(chǎn)品生產(chǎn)。 f p g a 中采用的查找表( t o o ku pt a b l e ) ：技術(shù)簡(jiǎn)稱為l u t ，其本質(zhì)上就是 一個(gè)r a m 。目前f p g a 中多使用4 輸入的l u t ，所以每一個(gè)u j l r 可以看成 一個(gè)有4 位地址線的1 6 x l 的r a m 。當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或h d l 語(yǔ)言描述了 一個(gè)邏輯電路以后，p l d f p g a 開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的 結(jié)果，并把結(jié)果事先寫(xiě)入r a m ，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于 輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。 綜合考慮到要求可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)的功能電路較多，需要具有大量的 輸入輸出引腳，以及便于以后的控制功能擴(kuò)展，因此控制系統(tǒng)的f p g a 決定 采用a l t e r a 公司的a c e i k 系列的f p g a 芯片e p l k 3 0 t c l 4 4 。該芯片具有 很高的邏輯密度，擁有門(mén)3 0 0 0 0 個(gè)，擁有1 7 2 8 個(gè)可編程的基本邏輯單元( u 強(qiáng)) 以及1 0 2 個(gè)用戶可編程的通用i ，o 引腳；它的功耗低，其內(nèi)核供電電壓為2 5 v ， 通用i 0 塊的供電電壓為3 3 v ，且能與2 5 v ，3 3 v 和5 v 的外部設(shè)備信號(hào)兼 容。 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 自m d 婦d 加辭e h 伽 砌m d 女口帕r 圖3 3 a l t e r a a c e x i k 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu) a c e x i k 系列f p g a 的結(jié)構(gòu)如圖3 3 所示。內(nèi)部主要包括【a b ( 邏輯陣列 塊) 、i o 塊、r a m 塊( 未表示出) 和可編程行列連線等部分。在a l e x 中，一 個(gè)l a b 包括8 個(gè)邏輯單元( u 巳) 。l e 是a c e x 芯片實(shí)現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu)， 每個(gè)l e 包括一個(gè)l u t ，一個(gè)觸發(fā)器和相關(guān)的邏輯，片內(nèi)的r a m 即可用于 實(shí)現(xiàn)雙口r a m ，也可用于實(shí)現(xiàn)f i f o ，還可以當(dāng)做r o m 使用，具體情況如 圖3 4 所示 與該f p g a 配合使用存放配置文件的外部存儲(chǔ)器是a l t c m 公司的 e e p r o m 芯片e p c 2 ，系統(tǒng)上電后，將p r o m 中存儲(chǔ)的程序加載到f p g a 中， 使f p g a 按