小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环定位控制实现
机器人的控制与执行
机器人的控制与执行机器人的控制与执行是针对机器人系统的运作机制进行管理和实施的过程。
在现代工业和科技发展中，机器人已经成为一个重要的技术利器，广泛应用于生产制造、医疗服务、农业领域等多个行业。
如何高效而准确地控制和执行机器人的行为，对于提高生产效率和改善人类生活质量具有重要意义。
本文将探讨机器人控制与执行的相关技术和应用现状。
一、机器人的控制技术机器人的控制技术是指通过对机器人关节、感知、决策等子系统的控制，实现机器人系统的行为调控。
常见的机器人控制技术包括以下几个方面：1. 关节控制：机器人的关节是实现运动的基本单元，通过精确控制关节的角度和速度，可以灵活地实现机器人各种动作。
通常采用PID控制算法来控制关节的位置和速度。
2. 视觉控制：机器人的视觉系统可以通过摄像头等传感器获取环境信息，通过图像处理和模式识别等技术，对目标物体进行识别和定位，并根据需求进行相应的操作。
3. 力控制：力控制是指机器人通过传感器获取外部力信息，并根据预设的力控制策略进行相应的反馈控制。
这种控制方式常用于需要与环境产生交互力的任务，如装配、搬运等。
4. 路径规划：路径规划是机器人控制中的关键技术之一，通过规划机器人的运动轨迹，使其在复杂环境中避开障碍物、保持安全，并高效地到达目标位置。
二、机器人的执行技术机器人的执行技术是指机器人系统根据控制指令进行动作的过程。
机器人的执行技术直接关系到系统的运行效果和稳定性。
以下是常见的机器人执行技术：1. 运动控制：机器人的运动控制是实现机器人移动和动作的关键技术。
通过控制机器人关节的运动，实现机器人的正常行走、转动等功能。
2. 抓握控制：机器人的抓握控制是指机器人通过机械臂或手指等执行器件，实现对目标物体的抓取和放置。
通过调整执行器的力度和姿态，确保稳定地抓取和放置目标物体。
3. 协作控制：机器人的协作控制是指多个机器人之间的协同工作。
通过协调多个机器人的行为，实现共同的目标任务。
机器人单关节控制原理
机器人单关节控制原理机器人是一种能够代替人类完成特定任务的智能设备，其关节控制是机器人能够实现灵活运动的关键。
本文将介绍机器人单关节控制原理，包括传感器、控制算法和执行器等方面的内容。
一、传感器传感器是机器人单关节控制的基础，通过传感器可以获取关节位置、速度和力矩等信息。
常用的关节传感器包括编码器、光电开关和力传感器等。
编码器是一种能够测量关节位置和速度的传感器，通过测量旋转角度和转速来确定关节的状态。
光电开关可以用来检测关节的起始和终止位置，从而实现精确的控制。
力传感器可以测量关节施加的力矩，实时调整控制策略。
二、控制算法控制算法是机器人单关节控制的核心，通过对传感器数据的处理和分析，确定关节的控制策略。
常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，根据关节当前位置和目标位置的差异，计算出控制量，使关节逐渐接近目标位置。
模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制算法，根据模糊规则和关节位置的模糊集合，确定控制量。
神经网络控制是一种基于人工神经网络的控制算法，通过训练网络模型，实现关节位置的预测和控制。
三、执行器执行器是机器人单关节控制的实际执行部分，负责将控制信号转化为实际的关节运动。
常见的执行器包括电机、液压缸和气动缸等。
电机是机器人常用的执行器，通过电流和电压的控制，实现关节的转动。
液压缸和气动缸则通过液压或气压的控制，实现关节的伸缩。
这些执行器具有不同的特点和应用场景，可以根据具体需求选择合适的执行器。
四、控制策略机器人单关节控制的控制策略可以根据具体任务和要求进行选择。
常见的控制策略包括位置控制、速度控制和力矩控制等。
位置控制是机器人常用的控制策略，通过控制关节的位置，实现精确的定位和运动。
速度控制则通过控制关节的速度，实现平滑的运动和调节。
力矩控制是一种基于力传感器的控制策略，通过监测关节施加的力矩，实现对力的调节和保护。
总结机器人单关节控制原理涉及传感器、控制算法、执行器和控制策略等方面的内容。
自适应环境的机器人视觉伺服控制方法
自适应环境的机器人视觉伺服控制方法吴作君;刘国华【摘要】机器人和机器视觉的迅速发展,使得基于视觉的智能机器人得到更加广泛的应用;机器视觉提高了机器人控制系统对环境的适应程度,但其适应程度也受到周围环境对机器视觉算法的影响;针对这一情况,对机器人视觉伺服控制系统中的机器视觉算法进行了改进,提出了一种基于帧间差分法的自适应环境的机器人视觉伺服控制方法,从而提高了控制系统对环境的自适应程度,提高了对机器人控制的精确度,实验和理论分析证明,该方法具有较大的应用前景和实用价值.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2016(024)012【总页数】5页(P63-66,70)【关键词】机器视觉;伺服控制;帧间差分法【作者】吴作君;刘国华【作者单位】中国石油大学胜利学院,山东东营257000;中国科学技术大学,合肥230000【正文语种】中文【中图分类】TP242机器人时高度集成化和自动化的设备，随着工业生产智能化程度的逐步提高，机器人在各个领域发挥着日益重要的作用。
机器人的控制要通过一个控制系统实现，控制系统的输入是机器人的传感设备获取到的传感数据，对其进行处理之后，做出判断，并执行动作。
根据实际需要，机器人所添加的传感设备也是不同的。
例如常见的有压力传感器、超声波测距传感器、视觉传感器、温湿度传感器等。
在众多传感器中，视觉传感器具有适用范围广、获取的信息全面等优点，尤其是伴随着计算机视觉技术的快速发展，视觉传感器正逐渐成为机器人设备中必不可少的传感器。
而基于机器人视觉的伺服控制方法，也得到了了广泛的应用。
但是由于计算机视觉算法受环境影响较大，因此基于机器人视觉的伺服控制方法对于环境的自适应程度仍十分有限，针对这个问题，做出了研究，提出了一种基于熵权法的自适应环境的机器人视觉伺服控制方法。
视觉伺服控制技术是建立在机器人技术、自动控制技术、计算机视觉技术等多个领域技术的基础上的。
很多学者已经进行了广泛的研究，其中最著名的是Hutchinson等人[1-3]所做的引导性研究，之后，很多人在此提出上提出了众多基于视觉控制的方法，包括古典类和现代类等，其中包括PID控制、极点配置等[4]。
东大19秋学期《机器人技术》在线平时作业123满分答案
试卷总分:100 得分:100
一、单选题(共 6 道试题,共 30 分)
1.在q--r操作机项
C.惯性项和哥氏项
D.惯性项和重力项
答案:D
2.机器人的精度主要依存于机械误差、控制算法误差与分辨率系统误差。一般说来__
C.从操作空间到关节空间的变换
D.从关节空间到操作空间的变换
答案:D
5.模拟通信系统与数字通信系统的主要区别是什么？
A.载波频率不一样
B.调制方式不一样
C.编码方式不一样
D.信道传送的信号不一样
答案:D
6.哪个国家曾经赢得了“机器人王国”的美称？
A.美国
B.英国
C.日本
D.中国
答案:C
二、多选题(共 2 道试题,共 10 分)
答案:正确
12.在动力学中，研究构件质心的运动使用牛顿方程，研究相对于构件质心的转动使用欧拉方程。
答案:正确
13.工业机器人工作站是由一台或两台机器人所构成的生产体系。
答案:正确
14.格林（格雷）码被大量用在相对光轴编码器中。
答案:错误
15.谐波减速机的名称来源是因为刚轮齿圈上任一点的径向位移呈近似于余弦波形的变化。
A.重复定位精度高于绝对定位精度
B.绝对定位精度高于重复定位精度
C.机械精度高于控制精度
D.控制精度高于分辨率精度
答案:A
3.压电式传感器，即应用半导体压电效应可以测量__
A.电压
B.亮度
C.力和力矩
D.距离
答案:C
4.运动正问题是实现如下变换：__
A.从迪卡尔空间到关节空间的变换
B.从操作空间到迪卡尔空间的变换
小型机器人关节控制电路系统设计
小型机器人关节控制电路系统设计黄春晓;白雪飞;黄鲁;郝沛【摘要】给出一种小型机器人关节控制电路系统的软硬件设计方案.该方案以意法半导体32位单片机STM32为核心处理器,通过CAN总线接收上位机的命令和反馈传感器采集的信息,利用双相DMOS全桥驱动电路芯片A3995驱动关节电机,采用PID算法实现空心杯直流电机的高精度闭环定位控制.其中关节位置信息的采集使用的是AS5045磁旋转编码器,分辨率达到0.087 9°.关节角度转动的误差控制在1°以内,关节控制电路板的面积为11.88 cm2,信号传输速率为1 Mb/s.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2015(034)012【总页数】4页(P23-26)【关键词】空心杯直流电机;STM32嵌入式微处理器;磁旋转编码器;PID控制【作者】黄春晓;白雪飞;黄鲁;郝沛【作者单位】中国科学技术大学电子科学与技术系,安徽合肥230027;中国科学技术大学电子科学与技术系,安徽合肥230027;中国科学技术大学电子科学与技术系,安徽合肥230027;中国科学技术大学电子科学与技术系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】TP273+.1黄春晓，白雪飞，黄鲁，郝沛（中国科学技术大学电子科学与技术系，安徽合肥230027）小型化机器人在通信、军事、医疗、航天航空以及家庭服务等领域具有重要的应用价值。
机器人转动关节的准确定位和控制是小型机器人运动控制系统的一项关键技术。
关节控制精度、与上位机的通信、功耗、控制电路体积是小型机器人运动控制电路设计时需要重点考虑的问题。
关节控制电路的电机选取空心杯直流电机，该种电机具有突出的节能特性、灵敏的控制特性和稳定的运行特性，广泛用于各种机电产品中［1］。
本系统为了实现电机的快速准确控制，需要进行比例积分微分（PID）控制算法运算，因此采用低功耗的ARM嵌入式微处理器STM32F103C8T6（以下简称STM32）作为控制器，通过CAN（控制器局域网）总线接口与上位机进行双向通信，充分利用CAN总线突出的可靠性、实时性、可扩展性以及总线利用率高等特点［2］。
机器人控制系统的设计和实现
机器人控制系统的设计和实现随着人工智能技术的快速发展，机器人在现代社会得到了广泛的应用，涵盖了制造业、医疗、教育、服务等领域。
机器人的能力越来越强大，但是机器人的控制系统的设计和实现也同样显得越来越关键。
机器人控制系统是指机器人的运动控制、感知处理、决策逻辑等方面的系统。
一个好的控制系统不仅能够提高机器人的运动精度和稳定性，还能使机器人更加灵活和自适应。
本文将从机器人控制系统的设计和实现两个方面展开讨论。
一、机器人控制系统的设计1.1 机器人运动控制机器人的运动控制是机器人控制系统设计一个核心的方面。
机器人运动控制主要包括位置控制、速度控制、力控制等。
在机器人的控制过程中，运动控制算法的优化是至关重要的。
目前，运动控制算法主要分为闭环控制算法和开环控制算法两种。
闭环控制可以通过传感器实时反馈机器人的状态，并根据期望输出和实际输出之间的差异进行调整。
闭环控制算法虽然能够提高机器人的运动精度和稳定性，但是过高的准确度和过高的干扰反馈增强程度可能造成系统震荡，而且这种算法算法比较复杂。
相比之下，开环控制算法较为简单，机器人的位置、速度、力等参数也较为容易量化。
但是，在开环控制中，没有实时反馈机器人的状态信息，因此无法进行及时调整。
为了解决这一问题，可以在机器人上加装更多传感器来获取更丰富的状态信息，并进行卡尔曼滤波等处理，使得机器人的运动更加精准和可控。
1.2 机器人感知处理机器人的感知处理是机器人控制系统中另一个核心的方面。
机器人感知处理主要包括：环境感知、目标检测和自主定位三个方面。
高质量的感知处理算法可以为机器人的行为和决策提供更加准确的背景信息。
机器人环境感知通常采用激光雷达、摄像头、红外线传感器等多种传感器来实时采集所处环境的数据。
环境感知的数据处理通常包括对数据的滤波、分割、分类等步骤。
对采集到的数据进行合理的处理可以减少假阳性和假阴性的发生，从而提高机器人的行为准确性。
机器人的目标检测主要是在所处环境中识别出需要处理的目标物体。
国开电大《机器人技术及应用》形考任务2答案
题目为随机抽题请用CTRL+F来搜索试题第二次形成性作业为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。
正确答案是：“对”。
球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。
正确答案是：“对”。
机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。
正确答案是：“对”。
机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。
正确答案是：“错”。
可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。
正确答案是：“错”。
感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。
正确答案是：“对”。
19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。
正确答案是：“错”。
机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
正确答案是：“对”。
腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。
1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构、多中央处理器二级微机控制，可配置视觉感受器、具有触觉的力感受器，是技术较为先进的机器人。
正确答案是：“对”。
机构自由度只取决于活动的构件数目。
正确答案是：“错”。
通过面接触而构成的运动副，称为低副；通过点或线接触而构成的运动副称为高副。
正确答案是：“对”。
刚体在空间中只有4个独立运动。
正确答案是：“错”。
机器人运动方程的逆运动学是给定机器人连杆几何参数和末端执行器相对于参考坐标系的位姿，求机器人实现此位姿的关节变量。
正确答案是：“对”。
机器人运动方程的正运动学是给定机器人几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。
电动式关节型机器人机械手的结构设计
电动式关节型机器人机械手的结构设计电动式关节型机器人机械手的结构设计考虑到了机器人的运动能力、精度和稳定性，以下是该结构设计的一般要点：1.关节布局：电动关节机械手由多个关节连接组成，每个关节可以实现自由度的运动。
关节的布局应根据机械手的工作空间和运动需求来确定。
通常，机械手具有旋转关节和直线关节，旋转关节用于实现绕轴的旋转，而直线关节则用于实现沿直线的平移运动。
2.传动系统：机械手关节的运动通常由电机和传动系统驱动。
传动系统可能采用齿轮传动、带传动、蜗轮蜗杆传动等不同的机构形式。
在设计传动系统时，需要考虑到运动范围、速度要求、负载能力和精度要求。
3.传感器与反馈控制：为了保证机械手运动的准确性和稳定性，通常需使用传感器来获取关节位置、力矩和速度等反馈信息。
这些传感器可以包括编码器、力传感器、陀螺仪等。
反馈信息可以用于控制算法中，以校正位置误差、维持力平衡和实现闭环控制。
4.结构材料与强度：机械手在运动过程中要承受各种力和负载，因此需要采用足够强度和刚度的结构材料。
常见的材料包括铝合金、碳纤维复合材料和钢等。
在结构设计中，还应考虑到材料的质量与性能要求的平衡，以及机械手的重量和成本等因素。
5.控制系统：电动关节机械手还需要配备一个控制系统，用于运动规划和控制。
该控制系统可以包括传感器接口、运动控制器、通信模块等。
它可以接收来自传感器的反馈信息，根据预设的任务要求制定运动规划，并通过控制算法控制各个关节的运动。
总而言之，电动式关节型机器人机械手的结构设计需要综合考虑机械手的运动能力、精度和稳定性等因素。
从关节布局、传动系统、传感器与反馈控制、结构材料和强度、控制系统等多个方面进行设计，以满足具体应用的要求。
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小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环定位控制实现摘要：提出一种小型机器人关节位置信息采集及定位控制系统的设计方法，设计方案包括硬件设计和软件设计，核心处理器采用意法半导体32位单片机STM32，采用CAN总线接收上位机的命令，实现传感器信息采集的反馈。
通过双相DMOS全桥驱动电路芯片，结合PID算法实现空心杯直流电机的一种高精度闭环定位控制。
选取AS5054磁旋转编码器实现关节位置信息的采集，以控制关节角度转动误差，进而实现闭环定位控制过程。
实验表明，系统软硬件与小型机器人转动关节对电路系统控制的实用要求相符合。
关键词：小型机器人；关节控制电路系统；关节位置信息采集；闭环定位控制中图分类号：TN710?34 文献标识码： A 文章编号：1004?373X（2016）10?0146?03Acquisition of joint position information and implementation of closed?loop positioning control for small robot joint control circuit systemLIU Ying（Sichuan Information Technology College，Guangyuan608040，China）Abstract： A design method of joint control circuit system for small robot is proposed. The scheme is integrated with hardware design and software design. The microcontroller STM32 of 32 bit made by ST Microelectronics is taken as the core processor，which combines with the CAN bus to receive the command from the host computer and realize the feedback of sensor information acquisition. The high precision closed?loop positioning control of coreless DC motor is realized with dual phase DMOS full bridge driver circuit chip and PID algorithm. The AS5054 magnetic rotary encoder is selected to acquire the joint position information，which can control the joint angle rotational error，and realize the closed?loop positioning control process. The method scientifically guides the design of modern small robot joint control circuit system.Keywords：small robot；joint control circuit system；joint position information acquisition；closed?loop positioning control0 引言21世纪的今天，现代化科学技术的成熟发展，推动了小型化机器人的迅速发展，并广泛应用于军事通信以及航空领域等。
小型机器人关节转动控制及转动角度定位，始终是机器人运动控制的核心部分。
关节控制电路系统的优化设计对于关节控制的精度、上位机通信等有着极其重要的作用。
如何做好小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息的采集，并实现闭环定位始终是电子技术行业领域研究的热点之一。
因此本文对小型机器人关节控制电路系统的关节位置信息采集和闭环定位控制实现进行研究有一定的现实意义。
1 小型机器人关节控制电路系统的硬件设计小型机器人关节控制电路系统的设计，基于节能的目的，采取空心杯直流电机提高系统灵敏性，实现电路的稳定运行。
为配合硬件系统对电机的精准控制及算法需求，主控器件选用带闪存的32位意法半导体STM32单片机，并根据CAN总线的实时性和可靠性特点，采用CAN总线接口方式与上位机实现双向通信过程[1]。
同时考虑了系统的可扩展性，结合磁旋转编码AS5045的高精度，对电机的位置信息进行实时检测，基于A3995的驱动电路体积小，能很好地控制电机。
1.1 微处理器控制电路和驱动模块电路微处理器控制电路中，应用32位微控制器，对前期电路采集到的定位及角度转动信息根据程序设计做出计算与处理，在上位机形式下，通过I/O口实现命令的直接传达与控制，既能通过上位机合理控制电机转速与角度，同时也保证了系统高效稳定的运行。
设计驱动模块电路的同时，也要结合双相DMOS全桥驱动电路芯片，故采取A3995驱动模块电路结构。
其中，通过程序对ARM微处理器STM32的I/O引脚加以设置，将其作为电机驱动芯片的一种输入控制信息，对电机的动作进行控制。
对于电机转动方向的控制，结合PHASE高低电平进行决定，同时电流衰减快慢模式可以应用MODE进行选择[2]。
保护电路的设计主要采取电流检测的方法。
基于A3995芯片的电流检测保护电路需要结合软件编程，加强内部电路电压的保护。
同时在控制电机正转和反转的过程中，实现流过负载电流大小的直接检测。
而保护电路电压比较器的负输入端的直接检测，需要在软件设计中对定时器做好设置，使得PB1端口将PWM信号输出，并在降压之后和VBEF1进行相连[3]。
1.2 CAN通信模块电路系统的双向通信过程，采用CAN总线通信模式，同时接入多个节点设置，加强小型机器人多关节联动协调应用。
由于STM32内部集成有增强型CAN控制器，使用过程中控制器连接CAN的收发器，支持CAN 2.0B标准接口，识别XAN报文帧ID时，需要分析识别码特点，在发送帧识别码结构下，合理分析本节点接收滤波器的识别码和本节点的编码应用，进而加强小型机器人关节节点与主机之间的信息交流。
本设计采用德州仪器公司生产的3.3 V CAN收发器SN65HVD230，该器件适用于通信速率较高、需求良好抗干扰能力和高可靠性的CAN总线串行通信。
SN65HVD230有着多样化的工作模式，通过硬件方式设置Rs引脚可实现3种工作模式的选择；控制器输出引脚与SN65HVD230数据输入引脚相连接，接收CAN节点数据。
工作过程中对Rs引脚电平合理设置，就能完成好整体系统的信号传输[4]。
这种通信模式中信号实际的传输速率高达1 Mb/s。
1.3 磁旋转编码器信息采集模块机器人关节控制系统对传感器有着精确的要求，比如相对较小的尺寸和较高的灵敏度，并保证要有着一定磁化的双极磁铁。
此处选取AS5045磁旋转编码器实现机器人关节位置信息的采集。
AS5045是一款无接触式磁旋转编码器，作为一个片上系统它可精确测量360°内的角度。
结合关节机械结构，在芯片的上方和下方安装磁铁。
工作中，合理控制关节旋转带动磁铁，AS5045内部的集成式Hall元件检测磁性大小，经数字信号处理后就可输出较精确的关节角度信息。
在关节处固定AS5045电路板之后，及时测量关节角度，结合关节旋转轴的形式，有效安装圆形磁化双极磁铁[5]。
AS5045的数字化数据能够以串行比特流或PWM信号的形式输出，本设计选用串行输出。
AS5045对磁场方向进行检测，并对12 b二进制编码进行计算，随着同步串行接口的编码过程，微控制器产生编码器所需的时钟信号和片选信号，并读取AS5045的输出信号。
读取数据的过程，需结合CSn电平设置，初始时设置CSn为高电平，持续的时间用tCSn表示，准备读取输出数据时，须设置CSn变为逻辑低电平。
2 小型机器人关节控制系统的软件设计系统软件的设计过程主要是设计服务于电路系统的控制，控制核心选择STM32，使用Keil的编译工具，应用C语言开发代码。
对于主要程序的系统初始化，要设置好所有模块的启动，包括AS5045霍尔数据采集模块的处理，PID速度控制模块的应用，CAN通信模块的应用等各个模块。
系统完成初始化状态后，上位机通过CAN总线结构向单片机发送控制命令，Hall传感器对关节位置进行有效检测，经过基础的处理，将关节的实时位置信息及时回传给主控器件，这种目标值和实际的实时值控制过程，就要结合PID调节参数，实现电机转动的控制[6]。
小型机器人关节控制系统的软件设计中，应用PID控制算法的增量式结构实现关节电机转速管理，调节关节控制角度，计算关节角度偏差值，实际的计算过程，如下所示：4 结语本文在对STM32处理器为控制核心的小型机器人关节控制系统的研究中，不仅完成了微处理器外围电路和信号采集电路的设计，同时完成了电机驱动电路的硬件设计，在成品整体电路板面积取值很小的情况下，实施机器人关节转动控制应用调试，取得了较好的关节转动控制效果。
系统软硬件预期功能与小型机器人转动关节对电路系统控制的实用要求相符合。
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