（機械電子工程專業(yè)論文）五自由度教學機器人控制系統(tǒng)設計及實驗研究.pdf

哈爾濱t 程人學碩十學能論文 摘要 在機器人的研究領域中，如何有效地提高機器人控制系統(tǒng)的控制性能始 終是研究學者十分關注的一個重要內容。在分析了工業(yè)機器人的發(fā)展歷程和 機器人控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀后，本論文的主要目標是建立一個新型全數(shù)字的 基于a t m a g e l 2 8 和f i g a 的機器人位置伺服控制系統(tǒng)的軟、硬件平臺，實現(xiàn) 對五自由度教學機器人的精確控制。 本論文分析了所研究的五自由度教學機器人的本體結構。在明確了實現(xiàn) 機器入精確位置伺服控制的控制原理后，在分析對機器人控制系統(tǒng)的諸多可 行性方案的基礎上，確定采用了兩級c p u 控制體系結構：第一級c p u 為上 位計算機，它實現(xiàn)對機器人的系統(tǒng)管理、協(xié)調控制以及完成機器人實時軌跡 規(guī)劃等控制算法的運算：第二級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，實現(xiàn)了對機器人多個關節(jié)的高速并 行驅動；采用串口實現(xiàn)上位計算機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。 機器人系統(tǒng)的軟件設計包括兩個部分：一是采用v c 魯+ 實現(xiàn)的上位監(jiān)控 軟件系統(tǒng)，它主要負責機器人實時軌跡規(guī)劃等控制算法的運算，同時完成用 戶與機器入系統(tǒng)之間的信息交互：二是采用實時操作系統(tǒng)u c o si i 實現(xiàn)的下 位機控制程序，它主要負責接收上位監(jiān)控系統(tǒng)的命令，實現(xiàn)對機器人的實時 驅動，同時還能夠實時的向上位監(jiān)控系統(tǒng)機器人反饋的當前狀態(tài)信息。 研究開發(fā)出的五自由度教學機器入控制器具有控制實時性好、定位精度 高、運行穩(wěn)定可靠的特點，它允許用戶通過上位控制計算機實現(xiàn)對機器人的 各種設定作業(yè)的控制。 關鍵詞：教學機器人；多自由度伺服控制器；實時操作系統(tǒng)；a t m e g a l 2 8 哈爾濱t 程人學碩十學侍論文 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 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：本論文的所有工作，是在導師的 指導下，由作者本人獨立完成的。有關觀點、方法、 數(shù)據(jù)和文獻的引用已在文中指出，并與參考文獻相對 應。除文中已注明引用的內容外，本論文不包含任何 其他個人或集體已經公開發(fā)表的作品成果。對本文的 研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確 方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人 承擔。 作者( 簽字) ：圣! ：望望 日期：o 刁年f 月2 午日 哈爾濱t 程大學碩十學位論文 第1 章緒論 1 1 本文選題目的及意義 隨著現(xiàn)代科學技術的迅速發(fā)展，尤其是進入9 0 年代以來，機器人技術的 進步與其在各個領域的廣泛應用，引起了各國專家學者的普遍關注許多發(fā) 達國家均把機器人技術的開發(fā)、研究列入國家高新技術發(fā)展計劃。世界各國 普遍在高等院校為大學本科生及研究生開設出介紹機器人技術的有關課程。 為了培養(yǎng)機器人開發(fā)、設計、生產、維護方面的人才，我國很多高校也 為本科生和研究生開設了機器人學課程。筆者所開發(fā)的教學機器人，以示教 再現(xiàn)控制為主，可以很好的說明工業(yè)機器人的工作原理和工作過程。將其作 為機器人學、機器人技術及機電一體化系統(tǒng)設計課程及機械電 子工程專業(yè)機電結合的綜合教學實驗設備，不僅可以使學生在輕松愉快的氛 圍中充分理解相關課程的專業(yè)知識，而且可以激發(fā)學生的專業(yè)學習興趣，使 他們樹立系統(tǒng)工程概念，培養(yǎng)其獨立開展科學研究的能力因此，本教學機 器人的研制成功，對機電一體化專業(yè)教學有著十分重要的意義。 本課題的目的是設計一個具有示教再現(xiàn)功能的五自由度的教學機器人， 通過控制三個位置自由度，兩個姿態(tài)自由度及手爪自由度，使其能在作業(yè)空 間內運動，向學生生動地演示機器人的基本原理，培養(yǎng)其對機器人的興趣。 隨著我國高等教育的進一步發(fā)展，尤其對機器人技術方面人才的需求進 一步擴大，教學機器人作為一種直觀的教學方式，將抽象的機器人學，控制 理論和機電一體化設計等多門學科的理論知識，蘊于具體形象實際的機器人 中，讓學生在實踐的環(huán)境下學習理論知識，從中驗證書中的各個定理及知識 點，侵其更好的掌握專業(yè)知識，綜合了解各個學科之間的內在聯(lián)系，因此對 機器人的教學有很重要的意義“1 。 哈爾濱t 程大學碩十學位論文 1 2 國內外研究現(xiàn)狀及分析 1 2 1 工業(yè)機器人的發(fā)展情況 工業(yè)機器人的發(fā)展始于2 0 世紀年代，1 9 5 4 年美國戴沃爾發(fā)表了“通用 重復型機器人”的專利論文，第一次提出了“工業(yè)機器人“的概念。1 9 5 8 年 美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺數(shù)控工業(yè)機器人原型。1 9 5 9 年美國 u n i m a t i o n 公司推出第一臺工業(yè)機器人美國是機器人的故鄉(xiāng)。 6 0 年代隨著傳感技術和工業(yè)自動化的發(fā)展，這時是工業(yè)機器人的發(fā)展初 期，機器人開始向適用化發(fā)展，并被用于電焊和噴涂作業(yè)。7 0 年代隨著計算 機和人工智能的發(fā)展，機器人進入適用化時代。日本雖起步較晚，但結合國 情，面向中小企業(yè)，采取了一系列鼓勵使用機器人的措施。其機器人擁有量 很快超過了美國，一舉成為“機器人王國” 年代工業(yè)機器人進入發(fā)展中期，汽車、電子等行業(yè)開始大量使用工業(yè) 機器人，推動了機器人產業(yè)的發(fā)展。工業(yè)機器人的應用滿足了人們特性化的 要求，產品的批量越來越大，品種越來越多，而且產品的一致性也大大提高， 為商家占有了更多的市場份額，獲得了更多的市場利潤。 如年代初期，工業(yè)機器人的生產與需求達到了一個技術成熟期，1 9 9 0 年世界上新裝備工業(yè)機器人8 0 9 4 3 臺，1 9 9 1 年裝備了7 6 4 4 3 臺，到1 9 9 1 年 底世界上已有5 3 萬臺工業(yè)機器人工作在各條戰(zhàn)線上。 1 2 2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外工業(yè)機器人領域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： ( 1 ) 工業(yè)機器人性能不斷提高( 高速度、高精度、高可靠性、便于操作 和維修) ，而單機價格不斷下降，平均單機價格從1 9 9 1 年的l o 3 萬美元降至 1 9 9 7 年的6 5 萬美元。 ( 2 ) 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、 減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人 2 哈爾濱t 程大學碩十學位論文 整機；國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 ( 3 ) 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于p c 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于 標準化、網絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構； 大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 ( 4 ) 機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、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機 器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模 及決策控制；多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 ( 5 ) 虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控 制，如遙控機器人操作者產生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人0 1 。 ( 6 ) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于 操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙 控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上 的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例“1 。 ( 7 ) 機器人化機械開始興起。從1 9 9 4 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以 來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的 領域“ 教學機器人作為機器人教學的基礎，在機器人教育方面有重要的意義， 因此各國都致力于教學機器人平臺的開發(fā)與研制。例如德國研制了新型的教 學機器人實驗平臺，如圖1 1 所示。其由一個五自由度的機械臂和一個視覺 系統(tǒng)構成。機械臂有底部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰三個位置自由度和小臂 回轉、手腕回轉兩個姿態(tài)自由度，手腕上裝有電機，以控制手爪的開合。通 過攝像頭采集的視覺信號作為機械臂的末端位置反饋到上位機中，在上位機 中進行視覺伺服的算法，然后將各個關節(jié)的位置輸出給機械手的伺服控制器， 從而進行末端位置的控制，這樣構成了一個具有視覺反饋功能的、簡單的教 學機器人實驗的平臺“1 。 3 哈爾濱一喇暈大學碩十學位論文 圖1 1 德國新型教學機器入實驗平臺 1 2 3 國內發(fā)展現(xiàn)狀 我國的工業(yè)機器人從8 0 年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持 下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前已基本掌握了機器人操作機的設 計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產 了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人； 其中有1 3 0 多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近3 0 條自動噴漆生產線( 站) 上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人已應用在汽車制造廠的焊裝線上。 但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外相比還 有一定的距離，如：可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用 領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外相比有差距；在應用規(guī)模上，我國已安裝的 國產工業(yè)機器人約2 0 0 臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是 沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求?！耙豢蛻簦?一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、 成本高，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技 術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè) 化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“8 6 3 ”計劃的支持下，也取得了 不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6 0 0 0 米水下無纜機器人的成果居 世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器 4 哈爾濱一r ：程大學碩十學位論文 人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開 發(fā)應用上開展了不少工作，有一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控 制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械 等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績 的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品， 以望在“十五”后期立于世界先進行列之中“”。 在教學機器人方面，我國各大高校分別研制了各種類型的教學機器人。 主要有清華大學、哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海交通大學等。 哈爾濱工業(yè)大學研制的四軸直角坐標系教學機器人，如圖1 2 所示。這 個教學機器人是一種串聯(lián)式的機器人，由x 、y 、z 三個正交的自由度構成。 串聯(lián)式機器人是一種典型的工業(yè)機器人，在自動搬運、裝配、焊接、噴涂等 工業(yè)現(xiàn)場中有著廣泛的應用，通過該系列教學機器人可使學生能夠模擬工業(yè) 現(xiàn)場的實際運行狀況。其結構緊湊，工作范圍大，具有高度的靈活性，是進 行運動規(guī)劃和編程系統(tǒng)設計的理想對象 圖1 2 哈爾濱工業(yè)大學研制的四軸直角坐標系教學機器人 上海交通大學研制的教學機器人如圖1 3 所示其屬于典型的關節(jié)式機器 人，包括底部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰三個位置自由度和小臂回轉、手腕 俯仰、手腕回轉三個姿態(tài)自由度，展示了現(xiàn)代工業(yè)機器人的一般特征；它能 夠演示現(xiàn)代工業(yè)機器人的典型應用；在一定程度上滿足機器人理論研究的需 要“。 5 哈爾濱下程人學碩七學位論文 圖1 3 上海交通大學的六自由度教學機器人 1 3 論文主要工作內容 本課題主要研究五自由度教學機器人樣機控制系統(tǒng)的研制，包括：硬件 電路的設計和調試、軟件系統(tǒng)的設計和調試兩大部分。論文的主要內容如下： ( 1 ) 教學機器人的系統(tǒng)設計，主要包括：教學機器人的機械結構；教學 機器人的控制系統(tǒng)結構。 ( 2 ) 硬件控制系統(tǒng)的設計，主要包括：電機驅動模塊設計；基于f p g a 的電機伺服模塊設計；單片機控制系統(tǒng)硬件設計 ( 3 ) 軟件控制系統(tǒng)的設計，主要包括：數(shù)字p i d 控制算法設計；u c o s1 i 實時操作系統(tǒng)平臺的構造；與上位機通信協(xié)議的設計。 ( 4 ) 樣機的研制與實驗，主要包括：硬件系統(tǒng)的調試；軟件系統(tǒng)的調試； 控制系統(tǒng)性能的調試。 6 哈爾濱一i ：程大學碩十學位論文 第2 章機器人的系統(tǒng)方案設計 2 1 機械結構方案 本機器人系統(tǒng)主要作為教學研究用，其工作環(huán)境為教學實驗室，要求它 能夠進行連續(xù)軌跡控制，同時應該具有示教再現(xiàn)功能機器人的主要參數(shù)包 括：坐標形式、各個桿件的長度，關節(jié)的運動范圍、運動速度、運動精度和 負載能力等 由于機器人是教學實驗機器人，主要用來完成一些實驗、演示機器人的 基本功能、完成機器入的操作方法訓練，以便了解機器人的工作原理和使用 方法。因此對機器人的負載能力、運動速度要求較低，希望系統(tǒng)的結構盡量 簡單、成本低，控制功能比較強。由此對研制的五自由度教學機器人提出以 下幾點技術要求； ( 1 ) 重量輕，不能超過5 公斤，要求結構緊湊； ( 2 ) 機械臂末端手爪的誤差不超過5 m m ； ( 3 ) 要求手爪能抓取1 公斤的物體 2 1 1 坐標形式 工業(yè)機器人按照結構坐標特點可分為以下幾種如圖2 1 所示。 ( 1 ) 直角坐標型三個關節(jié)運動方向互相垂直，其控制方案和數(shù)控機床相 似。這一結構各軸線位移分辨率在操作空間內任一點上均為恒定，但是操作 靈活性較差，體積比較大。 ( 2 ) 圓柱坐標型在水平轉臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱作上下運動并 可在水平方向伸縮。這種結構優(yōu)點是動作過程中負荷變動少，容易控制，缺 點是動作區(qū)域狹窄。 ( 3 ) 球坐標型和圓柱坐標結構相比，這種結構更為靈活，占地面積小， 7 哈爾濱下程人學碩士學位論文 工作空間大，但是移動關節(jié)不易防護 ( 4 ) 關節(jié)型這類機器人由兩個肩關節(jié)和一個肘關節(jié)進行定位，由兩個或 三個腕關節(jié)定向。其中一個肩關節(jié)繞鉛直軸旋轉，另一個肩關節(jié)實現(xiàn)俯仰， 這兩個肩關節(jié)軸線正交。肘關節(jié)平行于第二個肩關節(jié)軸線。這種結構動作靈 活，工作空間大，在作業(yè)空間內手臂的干涉最小，結構緊湊，占地面積小， 手爪可獲得較高的線速度。目前中小型機器人多采用這種結構。 ( 5 ) s c a r a 型這種機器人有三個旋轉關節(jié)，其軸線相互平行，在平面 內進行定位和定向。另一個關節(jié)是移動關節(jié)，完成垂直平面的移動。它特別 適用于把針腳等零件插入孔穴的場合，在完成精密裝配操作任務中能充分發(fā) 揮其效益“”。 圖2 1 機器人的坐標形式 機器人的動態(tài)特性通常用質量、慣性矩、剛度、阻尼系數(shù)、固有頻率和 振動模態(tài)來描述。為了提高系統(tǒng)的動態(tài)特性，在機械結構設計時應該盡量減 少質量和慣量，提高結構剛度和系統(tǒng)的固有頻率，增加阻尼。本系統(tǒng)采用關 節(jié)式五自由度的運動形式。關節(jié)型結構形式的機器人動作靈活、工作空閫大、 8 哈爾濱t 程人學碩十學位論文 在作業(yè)空間內手臂的干涉最小、結構緊湊、占地面積小、關節(jié)相對部位密封 防塵。但關節(jié)型機器人的運動學原理較復雜，逆解困難，確定末端件的位置 不直觀，進行控制時計算量比較大。筆者設計的五自由度教學機器人的機械 結構圖如圖2 2 所示。該五自由度教學機器人包括：底部的腰回轉、大臂的 俯仰、小臂的俯仰三個位置自由度和小臂的回轉、手腕俯仰兩個姿態(tài)自由度 和手爪抓取的動作，每個動作都用一個直流伺服電機加以驅動，因此這個機 器人驅動系統(tǒng)需要六個直流伺服電機來實現(xiàn)其運動控制。 圖2 2 五自由度教學機器人結構圖 五自由度教學機器人的各個關節(jié)機械結構的基本參數(shù)，材料選用硬鋁合 金，如表2 1 所示。 9 哈爾濱丁程人學碩十學位論文 表2 1 機器人系統(tǒng)的基本參數(shù) 末端負載質量 l k g 高度3 0 0 r a i n 稈長大臂長2 6 0 m m 小臂長 2 6 0 r a m 腰回轉 蜘 大臂俯仰 土4 5 。 關節(jié)轉角范圍小臂俯仰土4 5 。 小臂回轉 土9 0 。 手爪俯仰 9 0 。 手爪開合寬度l m m - 5 m m 定位精度末端重復定位精度5 m 2 1 2 驅動方案 驅動方案包括確定機器人的驅動方式和驅動元件。機器人驅動方式有電 機、液壓和氣動三種。電動系統(tǒng)適合于中等負載、動作復雜、運動軌跡嚴格 的場合。關節(jié)驅動方式有直接驅動和間接驅動兩種。關節(jié)直接驅動機器人 ( d d r ) 將電機直接做在關節(jié)上。目前大部分機器人的關節(jié)是間接驅動，即 電機通過減速器裝載以關節(jié)軸相連。 在選擇機器人的制造材料時要綜合考慮材料的強度、剛度、比重、彈性、 抗振性、可加工性、外觀及價格等。常用的材料有碳素結構鋼、合金結構鋼、 鋁、鋁合金等等。本系統(tǒng)采用鋁合金材料。 在機器人的設計中，可選擇通用的標準零部件，如伺服電機、減速器， 傳感器和手爪等。對一些專用的部件則需自行設計，如底座、手臂和交叉滾 子軸承等。 本體采用直流伺服電機驅動，位置、速度檢測系統(tǒng)由電機的自帶的相對 式正交編碼器和非接觸式霍爾行程開關構成。自研的電機驅動器上帶有各種 安全保護與報警接口，可用于保護電機和減速器。各關節(jié)上采用的電機及驅 1 0 哈爾濱：f ：稃大學碩十學位論文 動型號如表2 2 所示 如圖2 2 所示。各個關節(jié)的采用的驅動方式分別為： ( 1 ) 底部回轉的關節(jié)，通過一對錐齒輪進行直角傳動，傳動比為3 4 ； ( 2 ) 大臂俯仰關節(jié)，通過一對傳動比為1 的圓柱直齒輪傳動，然后驅動 絲杠螺母進行直線傳動，推動大臂，為減少負載的影響，保證運動的平穩(wěn)性， 加裝平衡彈簧； ( 3 ) 小臂俯仰關節(jié)，通過一對傳動比為1 的圓柱直齒輪傳動，然后驅動 絲杠螺母進行直線傳動，推動小臂，為減少負載的影響，保證運動的平穩(wěn)性， 加裝平衡彈簧； ( 4 ) 小臂回轉關節(jié)，由電機加減速器童接輸出驅動； ( 5 ) 腕部回轉關節(jié)，由一對錐齒輪直角傳動實現(xiàn)； ( 6 ) 手爪的開合，由絲杠螺母副和一連桿機構驅動。 表2 2 機器人系統(tǒng)使用部件 關節(jié)部位電機 減速器編碼器 伺 腰回轉 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 動 小臂俯仰2 ：1 4 蓉沁別c r 3 7 1 ：1m 2 5 1 2 小臂回轉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 五自由度教學機器人包括：底部回轉、大臂俯仰、小臂俯仰、小臂回轉、 手腕俯仰五個自由度和手爪抓取的動作，每個動作都用一個直流伺服電機加 以驅動，機器人共需要六個電機來實現(xiàn)其運動控制。就每個電機的位置伺服 控制而言，是一個典型的位置伺服系統(tǒng)，因此采用典型的p i 速度內環(huán)加p i d 1 1 哈爾濱1 ：稃大學碩十學位論文 位置外環(huán)的控制策略進行控制。在實際系統(tǒng)中，采用單片機數(shù)字控制的方法， p w m 信號驅動h 橋的方式作為控制器的輸出驅動電動機工作，以電機尾部 的相對式編碼器信號的作為反饋回路。整個系統(tǒng)需要6 路獨立的p w m 輸出 接口，驅動五路伺服電機以及控制手爪開合電機，5 路正交編碼器輸入接口。 機器人的控制系統(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： 1 分散控制 分散控制也稱分級控制。分級控制的特點是：功能分散、任務分散、維 護容易，適用于回路較多的控制系統(tǒng)。 上位機負責發(fā)送控制命令、數(shù)據(jù)輸入、狀態(tài)顯示，接收下位機反饋回來 的信息，經過軌跡規(guī)劃、控制算法，向下位機發(fā)送控制命令。應滿足： ( 1 ) 上位機應該具有比較強的運算能力和數(shù)據(jù)處理能力、具有良好的人 機接口和操作界面；具有一定數(shù)量的輸出接口、輸入接口，以及通信接口 上位機可以采用a r m ，d s p 等微處理器，復雜系統(tǒng)可以采用工控p c ，p c i 0 4 等系統(tǒng)機。 ( 2 ) 下位機具有良好的實時性?？斓倪\算速度，在一個采樣周期f 毫秒 量級) 內要完成單個伺服回路的信號采樣、濾波算法和控制算法，快速實時通 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 ) 。下位機可以采用單片機、d s p 或者專用控制器。 2 集中控制 集中控制與分級控制正好相反，由一臺計算機完成整個系統(tǒng)的控制功能。 軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)管理、伺服控制都有一臺計算機完成。集中控制一般采用工 業(yè)p c 機，p c i 0 4 ，a r m ，d s p 等數(shù)據(jù)處理能力強的計算機或者微處理器。 控制計算機應滿足一下特點： ( 1 ) 滿足比較強的運算能力和數(shù)據(jù)處理能力、具有良好的實時性、快的 運算速度。在一個采樣周期( 毫秒量級) 內完成系統(tǒng)的各個伺服回路的控制算 法、信號采樣、濾波算法、軌跡規(guī)劃等； ( 2 ) 具有良好的人機接口和操作界面； ( 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 程人學碩十學位論文 在五自由度教學機器人這個實例上，采用分級控制的方案，由p c 機構 成上位機，完成軌跡規(guī)劃、系統(tǒng)管理的算法；下位機由一個或者幾個單片機 完成對六個關節(jié)的伺服控制”。 方案一：使用6 個微處理器對6 個電機進行分別控制，六個微處理器之 間分別與上位機進行通信。這樣每個微處理器上實現(xiàn)一路電機的閉環(huán)控制。 優(yōu)點是：在軟件實現(xiàn)方面簡單，成本比較低。缺點：系統(tǒng)比較龐大，耦合嚴 重，造成與主機通訊協(xié)議復雜，可靠性比較低。 方案二：將6 個電機進行統(tǒng)一控制，將6 路的閉環(huán)控制算法在一個微處 理器上實現(xiàn)。對這個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)點是：規(guī)模小，集成度高，可靠性高，并且 和上位機單獨通信，協(xié)議簡單，可靠性高。缺點：成本較高。 經過比較兩個方案的優(yōu)劣，筆者采用方案二的控制方案。因此整個系統(tǒng) 需要一個具有計算速度快、數(shù)據(jù)存儲容量大、6 路獨立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。通過市場調研，發(fā)現(xiàn)沒有帶6 路電機 正交編碼器輸入接口的處理器。 經過一番實踐，筆者摸索出一種全新的多自由度的電機伺服方案，選用 a t m e g a l 2 8 + f p g a ( 現(xiàn), 場可編程門陣列) 的硬件構架來實現(xiàn)對整個機器人的六 個關節(jié)的伺服控制，其總體的系統(tǒng)結構如圖2 3 所示。 圖2 3 硬件系統(tǒng)結構圖 哈爾濱【程大學碩士學位論文 2 2 2 工作原理 整個系統(tǒng)是由a t m c g a l 2 8 高性能單片機、功率放大模塊、存儲模塊、通 信模塊、f p g a 模塊等組成。其中單片機主要負責控制算法的計算，功率放 大模塊實現(xiàn)p w m ( 脈寬調制) 信號的放大及電機的過流保護，存儲模塊實現(xiàn)示 教再現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時記錄，通信模塊負責與上位機進行通訊，f p g a 模塊實現(xiàn) 六路正交編碼器接口、i o 擴展、單片機中斷擴展及單片機外部地址總線的 地址譯碼。其系統(tǒng)的特點有： ( 1 ) a t m e g a l 2 8 為c p u ，當外部時鐘為1 4 7 4 5 6 m h z 時，1 4 7 4 5 6 m i p s 的運算能力“”； ( 2 ) 3 2 k 的外部s r a m ，提供程序的運行數(shù)據(jù)空問； ( 3 ) 1 m b 的串行f l a s h 存儲器，存放海量數(shù)據(jù)； ( 4 ) f p g a 實現(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 路獨立的p w m 輸出隔離，通過h 橋功率放大，以驅動電機； ( 6 ) 通過r s 2 3 2 通訊接口與上位機通訊，簡單，實用。 在控制系統(tǒng)運行的過程中，用單片機內部的定時器產生周期為5 m s 的采 樣時間中斷，以使采樣時間任務由掛起狀態(tài)進入運行狀態(tài)。 在采樣時間任務里，通過數(shù)據(jù)地址總線讀取f p g a 內部的各個關節(jié)對應 的正交編碼器計數(shù)器寄存器，經過辨向，得到各個關節(jié)對應的電機當前位置， 然后由單片機進行位置及速度閉環(huán)伺服控制算法得到輸出的控制量，即p w m 的占空比，經過功率放大，以驅動電機，在這過程中驅動模塊的電流采樣環(huán) 節(jié)對電機的電樞電流進行實時的檢測，當電流超過規(guī)定的闞值時，關閉驅動 模塊以保護電機。 單片機通過串行接收中斷對上位機的命令進行檢測，以實時的響應來自 上位機的各種命令，并做出應答。同時當六個電機的某一個發(fā)生過流現(xiàn)象時、 或當機器人關節(jié)超過極限行程時等錯誤狀態(tài)時，通過發(fā)送錯誤代碼向上位機 進行報警。 1 4 啥爾濱_ t 稃人學碩十學位論文 2 3 本章小結 本章主要介紹了機器人機械系統(tǒng)的總體結構以及各個關節(jié)的驅動方式， 對幾種方案作了分析對比選擇了a t m e g a l 2 8 + f p g a 的控制系統(tǒng)硬件構架，同 時對課題所研究的五自由度教學機器人的控制系統(tǒng)組成及其工作原理作了總 體的介紹。 哈爾濱一【= 程人學碩士學位論文 第3 章控制系統(tǒng)的硬件設計 控制系統(tǒng)的硬件由主控單片機a t m c g a l 2 8 、功率放大模塊、f p g a 外設 擴展模塊、通訊模塊和存儲器擴展組成。本章將詳細的介紹每一個模塊的組 成及功能。 3 1 功率放大模塊的設計 直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內平滑的調速，在 許多需要調試或快速正反的電力拖動領域中取得了廣泛的應用。直流電動機 轉速和其他參量之間的穩(wěn)態(tài)關系可以可表示為： 露u - i rd o ( 3 1 ) 露_j - 工， k 。巾 式中 轉速( 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 一勵磁磁通m ； 疋一由電機結構決定的電動勢常數(shù)。 在上式中，k 是常數(shù)，電流，是由負載決定的，因此調節(jié)電動機的轉速 可以有三種方法： ( 1 ) 改變電樞供電電壓u ； ( 2 ) 減弱勵磁磁通中； ( 3 ) 改變電樞回路的電阻r 。 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓 的方式為最好。改變電阻只能有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調 速的范圍不大，往往只能調壓的方案。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往 以變壓調速為主”。 哈爾濱下程人學碩十學t ：) = 論文 調節(jié)電樞電壓需要專門的可控直流電源，生產中常用的可控的直流電源 有以下三種： ( 1 ) 旋轉變流機組，用交流電動機和直流電機組成機組，可獲得可調的 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的直流電壓。 ( 3 ) 直流斬波或脈寬調制，產生可變的平均電壓。 由于前兩種適用于大功率的電機控制，并且設備龐大，成本昂貴，而教 學機器人屬于小功率驅動，因此本系統(tǒng)的驅動方案選用p w m ( 脈寬調制) 的方 式作為功率驅動的方式。用功率放大模塊將來自單片機的p w m 信號，進行 放大，以用來驅動直流伺服電機。 3 1 1p 刪電機驅動電路設計 驅動系統(tǒng)采用p w m ( 脈寬調制) 的方式驅動電機，把恒定的直流電源 調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機的轉速。在比較幾種f w m 驅動的方式后，本文采用了h 橋結構的雙極性可逆的驅動電路。該電路有以下的優(yōu)點： ( 1 ) 電流一定連續(xù)； ( 2 ) 可使電動機在四象限運行； ( 3 ) 電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)： ( 4 ) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍寬； ( 5 ) 低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠 導通。 雙極性的缺點是；在工作過程中，4 個開關器件可能都處于開關狀態(tài)， 開關損耗較大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故。 單個電機的p w m 功率驅動電路原理圖如圖3 1 所示。在功率驅動系統(tǒng) 中，從單片機輸出的p w m 信號，經過一個7 4 f 0 4 反向器交成兩路相位相反 的p w m 信號。由于功率端使用p w m 驅動電機，電流變化較大，如果與數(shù) 字端共地，將嚴重干擾數(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 ：稃人學碩十學位論文 的開關的速度已不能滿足要求) ，提高系統(tǒng)的抗干擾性。p w m 信號經過光隔 后，驅動i r 2 1 1 2 半橋驅動芯片i r 2 1 1 2 內部內建了延時電路，以保證上下 橋臂不能同時導通。i r 2 1 1 2 驅動4 個氓f 5 4 0 構成的h 橋，以驅動電機。m f 5 4 0 是一種高速開關的c m o s 管，持續(xù)工作電流2 3 a ，導通電阻僅“毫歐姆， 管壓降很小，并內自帶續(xù)流二極管“” 圖3 1 功率放大模塊結構圖 3 1 2 電流保護電路設計 由于整個系統(tǒng)所選用的電機屬于小慣量高速電機，過流能力差，當電機 發(fā)生堵轉時，電機的反電動勢等于零，造成電樞回路的電流急劇上升，如果 不將制止，將發(fā)生電機燒毀的事件。 因此為了保護電機和伺服驅動器，驅動系統(tǒng)增加了電機電樞回路電流保 護電路，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 的形式驅動電機，因此采樣電阻得到的電 壓是頻率為p w m 頻率的脈動的電壓信號，變化較大，不適合做使能控制信 號。須對此電壓經過濾波，放大、比較才能控制i r 2 1 1 2 的使能端，以起到過 流保護的作用，具體電路如圖3 2 所示。 哈爾濱t = 程大學碩十學位論文 c 2 圖3 2 電流保護電路 其中l(wèi) m 3 5 8 是單電源寬電壓供電的8 腳的雙運算放大器，l m 3 9 3 是集 電極開路的模擬比較器。 電路原理：3 5 8 中的一個運算放大器配合外圍的電阻、電容元件構成 一個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，得到一個相對平穩(wěn)的電壓值。 l m 3 9 3 將運放得到的電壓與設定的電壓進行比較，若超過設定的電壓， 比較器輸出高，使1 r 2 1 1 2 使能端失效，從而關斷h 橋的四個c m o s 管，從 而停止電機，達到限流，保護電機的目的。實踐中由于功率的電源和地的干 擾比較大，對運放和比較器干擾較大，因此設定的電壓比理論計算值大，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，導致對電流的滯后( 毫秒量級) ，但直流電機具有一定的過流 能力，而且機械系統(tǒng)的響應頻率較低( 在1 0 h z 一1 0 0 h z 之間) ，在實際中不影響 使用，并取得了良好的電流保護功能“”。 3 2 基于f p 6 a 的電機伺服模塊的設計 伺服運動控制器的單片機除了需要實時接受并解釋上位機的控制指令， 計算并輸出關節(jié)電機的控制信號外，還得實時監(jiān)控機器人系統(tǒng)的狀態(tài)轉換， 哈爾濱下程大學碩七學位論文 為了不加重c p u 的工作負荷( 以往通過單片機中斷軟件計數(shù)的方法實現(xiàn)編碼 器計數(shù)，精度低，而且在編碼器頻率高時，嚴重干擾程序的正常執(zhí)行) ，同時 又保證整個伺服運動控制器的實時高效性能，決定將關節(jié)電機的光電位置編 碼器的反饋脈沖處理和計數(shù)電路、開關量檢測電路連同外部設備地址譯碼電 路，以及系統(tǒng)的復位信號綜合電路等模塊在高速的可編程邏輯器件中通過軟 件編程的方式加以實現(xiàn)。 f p g a 是現(xiàn)場可編程門陣列( 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 ) 的簡稱，它基于 查找表( t o o ku pt a b l e ) 技術以及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 等邏輯器件的基礎之上發(fā)展起來的。同以往的p a l ，g a l 相比， f p g a c p l d 都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等 特點。這兩種器件兼容了p l d 和通用門陣列的優(yōu)點，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路， 編程也很靈活。與門陣列等其它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 具有設計開發(fā)周期短、設計制造成本低、開發(fā)工具先進、標準產品無需測試、 質量穩(wěn)定以及可實時在線檢驗等優(yōu)點，因此被廣泛應用于產品的原型設計和 產品生產。 f p g a 中采用的查找表( t o o ku pt a b l e ) ：技術簡稱為l u t ，其本質上就是 一個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u j l r 可以看成 一個有4 位地址線的1 6 x l 的r a m 。當用戶通過原理圖或h d l 語言描述了 一個邏輯電路以后，p l d f p g a 開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的 結果，并把結果事先寫入r a m ，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于 輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。 綜合考慮到要求可編程邏輯器件實現(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3 0 0 0 0 個，擁有1 7 2 8 個可編程的基本邏輯單元( u 強) 以及1 0 2 個用戶可編程的通用i ，o 引腳；它的功耗低，其內核供電電壓為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 的外部設備信號兼 容。 哈爾濱t 程大學碩十學位論文 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 芯片內部結構 a c e x i k 系列f p g a 的結構如圖3 3 所示。內部主要包括【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l a b 包括8 個邏輯單元( u 巳) 。l e 是a c e x 芯片實現(xiàn)邏輯的最基本結構， 每個l e 包括一個l u t ，一個觸發(fā)器和相關的邏輯，片內的r a m 即可用于 實現(xiàn)雙口r a m ，也可用于實現(xiàn)f i f o ，還可以當做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 中存儲的程序加載到f p g a 中， 使f p g a 按