仿人型机器人控制系统设计的几个问题
《精心整理》四自由度机器人毕业设计论文要点
四自由度工业机器人毕业设计摘要近二十年来，机器人技术发展非常迅速，各种用途的机器人在各个领域广泛获得应用。
我国在机器人的研究和应用方面与工业化国家相比还有一定的差距，因此研究和设计各种用途的机器人特别是工业机器人、推广机器人的应用是有现实意义的。
本文简要介绍了工业机器人的概念，机器人的组成和分类，机器人的自由度和坐标形式，气动技术的特点。
对机器人进行总体方案设计，确定了机器人的坐标形式和自由度，确定了机器人的技术参数。
同时，设计了机器人的夹持式手部结构，设计了机器人的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。
设计了机器人的手臂结构。
设计出了机器人的气动系统，绘制了机器人气压系统工作原理图，对气压系统工作原理图的参数化绘制进行了研究，大大提高了绘图效率和图纸质量。
关键词：工业机器人，机器人，气动，单片机控制ABSTRACTIn the past twenty years, robotic technology is developing very fast, all sorts of use robots in various fields can be used widely. Our country in the research and application of robots and industrial countries, there is still a gap compared, therefore, the research and design various USES robots especially industrial robots, promote the use of robots is a realistic significance.This paper briefly introduces the concept of industrial robot, robot, robot composition and classification of freedom and coordinates, the characteristics of pneumatic technology. The general scheme design of robot, robot was determined, and freedom of coordinates the technical parameters of robot was determined. Meanwhile, the design of the robot hand gripping type of the robot structure, design wrist structure, calculated the wrist rotation for driving moment and rotary cylinder driving moment. Design a robot arm structure.Designed a robot pneumatic system, painted robots working principle diagram, pneumatic system of pneumatic system working principle diagram parametric drawing was studied, and greatly improve the efficiency of drawing and drawings quality.Keywords: industrial robot, pneumatic, SCM control第一章绪论随着计算机技术的不断向智能化方向发展，机器人应用领域的不断扩展和深化，工业机器人已成为一种高新技术产业，为工业自动化发挥了巨大作用，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。
机器人控制原理
第二章机器人系统简介2.1 机器人的运动机构（执行机构）机器人的运动机构是机器人实现对象操作及移动自身功能的载体，可以大体分为操作手（包括臂和手）和移动机构两类。
对机器人的操作手而言，它应该象人的手臂那样，能把（抓持装工具的）手依次伸到预定的操作位置，并保持相应的姿态，完成给定的操作；或者能够以一定速度，沿预定空间曲线移动并保持手的姿态，并在运动过程中完成预定的操作。
移动机构应能将机器人移动到任意位置，并保持预定方位姿势。
为此，它应能实现前进、后退、各方向的转弯等基本移动功能。
在结构上它可以象人、兽、昆虫，具有二足、四足或六足的步行机构，也可以象车或坦克那样采用轮或履带结构2.1.1 机器人的臂结构机器人的臂通常采用关节——连杆链形结构，它由连杆和连杆间的关节组成。
关节，又称运动副，是两个构件组成相对运动的联接。
在关节的约束下，两连杆间只能有简单的相对运动。
机器人中常用的关节主要有两类：(1) 滑动关节(Prismatic joint): 与关节相连的两连杆只能沿滑动轴做直线位移运动，移动的距离是滑动关节的主要变量，滑动轴一般和杆的轴线重合或平行。
(2)转动关节(Revolute joint): 与关节相连的两连杆只能绕关节轴做相对旋转运动，其转动角度是关节的主要变量，转动轴的方向通常与轴线重合或垂直。
杆件和关节的构成方法大致可分为两种：(1) 杆件和手臂串联连接，开链机械手(2) 杆件和手臂串联连接，闭链机械手。
以操作对象为理想刚体为例，物体的位置和姿态各需要3 个独立变量来描述。
我们将确定物体在坐标系中位姿的独立坐标数目称为自由度（DOF（degree of freedom））。
而机器人的自由度是由有关节数和每个关节所具有的自由度数决定的（每个关节可以有一个或多个自由度，通常为1 个）。
机器人的自由度是独立的单独运动的数目，是表示机器人运动灵活性的尺度。
（由驱动器能产生主动动作的自由度称为主动自由度，不能产生驱动力的自由度称为被动自由度。
双足机器人系统平衡控制设计论文
目录摘要 (Ⅰ)Abstract.................................................................................................. (Ⅱ)1 绪论 (3)1.1课题的研究背景和意义 (3)1.2双足机器人的国内外研究状况 (4)1.2.1国外研究状况 (4)1.2.2国内研究状况 (8)1.2.3 欠驱动双足机器人 (9)1.3欠驱动双足机器人控制存在的问题 (11)1.4本文的研究工作 (12)1.5论文的构成 (12)2 双足机器人直立平衡控制的模型研究 (13)2.1.双足机器人的欠驱动姿态 (13)2.1.1 模型简化的提出 (13)2.1.2双足机器人欠驱动姿态分析 (13)2.2物理模型 (15)2.3数学模型 (16)2.4 Matlab仿真模型 (18)2.5小结 (18)3双足机器人系统的能控能观性分析 (19)3.1 平衡稳定控制目标分析 (19)3.2 能控制性与能观测性分析 (19)3.3小结 (20)4 平衡控制策略 (21)4.1 LQR控制器简介 (21)4.2线性二次型调节器（LQR）基本原理 (21)4.3 平衡控制的仿真实现 (22)4.4 小结 (23)5仿真实验 (24)5.1控制器仿真模型 (24)5.2仿真的结果曲线 (25)5.3小结 (27)6结论与展望 (28)致谢 (28)参考文献 (29)附录 (32)附录Ⅰ（数学模型推导）: (32)附录Ⅱ（仿真模型）: (35)附录Ⅲ（Matlab程序语言）: (36)1 绪论1.1 课题的研究背景和意义随着机器人技术的发展和控制理论的逐步成熟，对双足机器人的稳定性问题、双足机器人步行移动及各种仿人动作的研究正受到国际学者们越来越多的普遍关注。
基于控制理论、动力学原理及仿生学原理，人们通过对动物和人类的运动行为、控制技巧的研究，提出和发展了一系列复杂运动控制模态及相关算法。
微型机器人的设计与应用
微型机器人的设计与应用近年来，微型机器人进入了人类的视野，在科技创新领域得到了广泛的应用和推广。
微型机器人是一种小型化的机器人，其体积和重量十分微小，可以执行各种任务和动作。
微型机器人的设计和应用，具有重要的意义和价值。
一、微型机器人的设计微型机器人的设计需要同步兼顾机械学、电子学、计算机学和材料学等方面的知识。
微型机器人的结构一般分为传感器、动力系统、执行器和控制系统四大部分。
1. 传感器：微型机器人需要配备各种传感器，以便感知周围环境，获取位置信息、姿态信息和环境信息等。
如机械臂可以使用红外传感器、超声波传感器、摄像头等，进行识别操作。
2. 动力系统：微型机器人需要配备适当的动力系统，以保证其运动和执行任务的能力。
可以使用微型电动机，燃料电池或者电池。
3. 执行器：微型机器人需要配备不同类型的执行器，以便可以完成各种任务。
如手臂遥控铲子等。
4. 控制系统：微型机器人需要配置合适的控制系统，控制其运动、姿态和高度等。
可以使用微型处理器、信号减弱器等，进行精细控制。
二、微型机器人的应用微型机器人的应用十分广泛，包括医疗、工业、探测和作战等领域。
以下是几个典型的应用领域。
1. 医疗领域：微型机器人可以在人体内进行手术操作，避免了传统手术中的切割、疼痛和创伤等。
如微型机器人可以用于神经外科、心外科和小部位手术等领域。
2. 工业领域：微型机器人可以在狭小空间内执行特殊机械操作。
如微型机器人可以用于汽车、飞机等复杂机器的维修。
3. 探测领域：微型机器人可以应用于各种环境探测，如化学污染物、地震监测、火灾探测、防疫等。
如微型机器人可以在受污染的环境下完成精确探测，找到污染源。
4. 军事领域：微型机器人可以进行隐蔽侦察、地雷拆除和训练等。
如微型机器人可以用于敌后侦察和情报获取等任务中。
三、微型机器人的发展趋势微型机器人在目前不断发展，未来也会有更多的应用和推广。
以下是几项未来发展趋势。
1. 更小更强的机器人：未来的微型机器人将变得更小、更敏捷、更强大。
工业机器人典型控制系统及结构
工业机器人典型控制系统及构造摘要：工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个根本局部组成。
主体即机座和执行机构，包括臂部、腕部和手部，有的机器人还有行走机构。
大多数工业机器人有3～6个运动自由度，其中腕部通常有1～3个运动自由度；驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作；控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进展控制。
关键词：工业机器人控制系统构造体系〔一〕工业机器人控制系统所要到达的功能机器人控制系统是机器人的重要组成局部，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其根本功能如下：〔1〕记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。
〔2〕示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。
在线示教包括示教盒和导引示教两种。
〔3〕与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。
〔4〕坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。
〔5〕人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。
〔6〕传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。
〔7〕位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。
〔8〕故障诊断平安保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的平安保护和故障自诊断。
〔二〕、工业机器人控制系统的组成〔图1〕〔1〕控制计算机：控制系统的调度指挥机构。
一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU 以及其他类型CPU。
〔2〕示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。
〔3〕操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成根本功能操作。
〔4〕硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。
〔5〕数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。
〔6〕打印机接口：记录需要输出的各种信息。
〔7〕传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。
工业机器人技术题库及问题详解
工业机器人技术题库及答案一、判断题第一章1、工业机器人由操作机、控制器、伺服驱动系统与检测传感装置构成。
√2、被誉为“工业机器人之父”得约瑟夫·英格伯格最早提出了工业机器人概念。
×3、工业机器人得机械结构系统由基座、手臂、手腕、末端操作器 4 大件组成。
×4、示教盒属于机器人环境交互系统。
×5、直角坐标机器人得工作范围为圆柱形状。
×6、机器人最大稳定速度高,允许得极限加速度小, 则加减速得时间就会长一些。
√7、承载能力就是指机器人在工作范围内得特定位姿上所能承受得最大质量。
×第二章1、工业机器人得机械部分主要包括末端操作器、手腕、手臂与机座。
√2、工业机器人得机械部分主要包括末端操作器、手腕、手肘与手臂。
×3、工业机器人得手我们一般称为末端操作器。
√4、齿形指面多用来夹持表面粗糙得毛坯或半成品。
√5、吸附式取料手适应于大平面、易碎、微小得物体。
√6、柔性手属于仿生多指灵巧手。
√7、摆动式手爪适用于圆柱表面物体得抓取。
√8、柔顺性装配技术分两种: 主动柔顺装配与被动柔顺装配。
√9、一般工业机器人手臂有 4 个自由度。
×10、机器人机座可分为固定式与履带式两种。
×11、行走机构按其行走运动轨迹可分为固定轨迹与无固定轨迹两种方式。
√12、机器人手爪与手腕最完美得形式就是模仿人手得多指灵巧手。
√13、手腕按驱动方式来分, 可分为直接驱动手腕与远距离传动手腕。
√第三章1、正向运动学解决得问题就是: 已知手部得位姿 , 求各个关节得变量。
×2、机器人得运动学方程只局限于对静态位置得讨论。
√第四章1、用传感器采集环境信息就是机器人智能化得第一步。
√2、视觉获得得感知信息占人对外界感知信息得60% 。
×3、工业机器人用力觉控制握力。
×4、超声波式传感器属于接近觉传感器。
√5、光电式传感器属于接触觉传感器。
机械臂控制系统的设计
机械臂控制系统的设计1 引言近年来;随着制造业在我国的高速发展;工业机器人技术也得到了迅速的发展..根据负载的大小可以将机械臂分为大型、中型、小型三类..大型机械臂主要用于搬运、码垛、装配等负载较重的场合；中小型机械臂主要用于焊接、喷漆、检测等负载较小的场合..随着国外工业机器人技术的不断发展;尤其是一些中小型机器人;它们具有体积小、质量轻、精度高、控制可靠的特点;甚至研发出更为轻巧的控制箱;可以在工作区域随时移动;这样大大方便了工作人员的操作..在工业机器人的应用中最常见的是六自由度的机械臂..它是由6个独立的旋转关节串联形成的一种工业机器人;每个关节都有各自独立的控制系统..2机械臂硬件系统设计2.1 机械臂构型的选择要使机器臂的抓持器能够以准确的位置和姿态移动到给定点;这就要求机器人具有一定数量的自由度..机器臂的自由度是设计的关键参数;其数目应该与所要完成的任务相匹配..为了使安装在双轮自平衡机器人上的机械臂能够具有完善的功能;能够完成复杂的任务;将其自由度数目定为6个;这样抓持器就可以达到空间中的任意位姿;并且不会出现冗余问题..在确定自由度后;就可以合理的布置各关节来分配这些自由度了..由于计算数值解远比封闭解费时;数值解很难用于实时控制;这样;后3个关节就确定了末端执行器的姿态;而前3个关节确定腕关节原点的位置..采用这种方法设计的机械臂可以认为是由定位结构及其后面串联的定向结构或手腕组成的..这样设计出来的机器人都具有封闭解..另外;定位结构都采用简单结构连杆转角为0或90°的形式;连杆长度可以不同;但是连杆偏距都为0;这样的结构会使推倒逆解时计算简单..定位机构是涉及形式主要有以下几种：SCARA型机械臂;直角坐标型机械臂;圆柱坐标型机械臂;极坐标型机械臂;关节坐标型机械臂等..SCARA机械臂是平面关节型;不能满足本文对机械臂周边3维空间任意抓取的要求；直角坐标型机械臂投影面积较大;工作空间小；极坐标方式需要线性移动;机械臂如需较大的工作空间;则臂长较长；和其他类型相比关节型机械臂在其工作空间内干涉是最小的;是一种较为优良的结构..所以初步确定本文机械臂构型为关节型..2.2臂杆长度的确定机械臂的臂杆设计如表2-1所示：表2-1 机械臂臂杆长度臂体名称大臂L1 小臂L2 机械手长度mm 550 500 1502.3 机械臂结构设计2.3.1 关节结构方案为了便于机械臂关节的模块化涉及和简化结构;本设计使用电机直接连接减速器;减速器连接臂体连接结构..图2-1是关节结构动力传递方案..图2-1 关节结构动力传递方案使用这种联接方式因中间零件少;故形变量与回程间隙都较小;且能保持较高的结构刚度..2.4 关键部件的选型2.4.1 关节负载的估算各关节的动态参数是驱动元件的选择和关节传动零件选择的重要依据..由机器人动力学相关知识可知完整的机器人动力学方程为：式中一般使用静力学方法和动力学方法计算机器人的动力参数;速度较低的机械;在运行过程中;惯性引起的动载荷较小;一般使用静力学方法;忽略C和F的影响..而对于运行速度较高机械;其动载荷也较大;即C项的影响较大;甚至超过静载荷；且粘滞摩擦也较大;同时考虑静载荷和动载荷;需使用动力学计算..本文的设计要求是一款可以安装在全向移动平台上的轻型机械臂;对关节的旋转速度要求不高;因此估算机械臂力矩时采用静力学方法..图2-2 机械臂受力简图估计关节力矩之前;首先假设每个关节的重力作用集中在中心;将连杆的重量均分于各关节;机械臂受力简图如图 2-2 所示;使用静力学方法计算关节所受力矩的最大值..六自由度机械臂三维静态仿真图如图2-3所示：图2-3 三维静态仿真图2.4.2 关节驱动系统电机的选型机械臂的驱动系统;有三种基本类型;即电动驱动、液压驱动和气动驱动;也可以根据需要组合成为复合式的驱动系统..1 电机驱动目前机械臂上使用最多的一种驱动方式是电动驱动;它利用各种电机产生的力和力矩;直接或通过机械传动装置来驱动执行机构..这类系统效率比液压驱动和气动驱动系统高;且电源方便;所以在机器人中得到了广泛的应用..2 液压驱动液压驱动的主要优点是功率密度大..液压缸也可直接作为臂体的一部分;因而结构紧凑;刚性好..由于液压油液的不可压缩性;系统的固有频率较高;快速响应好;可实现频繁平稳的变速和换向..液压系统易于实现过载保护;动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好..3 气动驱动气动驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成;其特点是气源方便、结构简单、造价较低、维修方便..与液压驱动系统相比;同体积条件下功率较小;也难以进行速度控制;多用于中、小负荷且精度要求不高的机器人控制系统中..综上;本设计决定使用电动驱动方式为机械臂提供动力;步进电机为驱动电机..2.4.3驱动系统减速器的选型结合上文;本文将使用步进电机为驱动电机为机械臂提供动力;结合各关节受力和机械臂关节传动机构组合方式;应在驱动电机和机械臂关节间安装减速器做扭矩适配;降低输出轴的速度;增大输出扭矩..一般行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、谐波减速器、齿轮减速器等可以和步进电机适配..1、行星齿轮减速器行星齿轮减速器通常由一个或者多个外部齿轮围绕着一个中心齿轮旋转;就像行星绕着太阳公转一样..在工作状态中多个行星齿轮协同工作;因而承载能力大;属纯扭矩传动;工作平稳..单级行星齿轮减速器的减速比一般较小;需要增加减速比时只需增加行星轮系的级数即可;而整体体积变化较小..2、蜗轮蜗杆减速器蜗轮蜗杆减速器的传动比大;一般为 10-80;也可以达到 80 以上..此外;蜗轮蜗杆减速器机械结构紧凑、热交换性能好、工作平稳、噪声小、具备机械自锁能力;安全性高..3、谐波减速器波发生器;柔轮;刚轮是谐波减速器的三大部分;谐波齿轮减速器传动结构简单;减速比高;同时啮合的齿数多;运行平稳、传动承载力大;齿侧间隙小;传动精度高;传动误差只有普通圆柱齿轮传动的 1/4 左右;传动空程小;适用于反向转动;在机器人领域有着广泛应用..但对柔轮材料有较高的强度要求;工艺复杂..4、齿轮减速器圆柱齿轮减速机构为定传动比齿轮机构;其传动准确;平稳高效;传动功率范围和速度范围大;广泛用于各种仪器仪表中;但其制造和安装精度要求高;高减速比时结构较为复杂;体积一般较大..综上;初步去确定使用谐波齿轮减速器;减速比大;传动精度高;体积小巧;输入轴与输出轴轴线重合;可很方便地与步进电机组合安装成为机械臂关节的一部分;同时便于机械臂的模块化设计..本文将采用 Harmonic Drive CSF-mini 系列组合型谐波减速器;其中腰关节采用型号为 CSF-14-100-2XH-F；肘关节俯仰和肘关节旋转采用 CSF-11-100-2XHF;腕俯仰采用 CSF-8-100-2XH-F..2.4.4电机驱动器的选型虽然步进电机广泛地应用于各行各业;但步进电机并不能像普通的直流电机那样通过控制输入的等效电压就可以驱动和调速..它必须利用电子电路;将直流电变成分时多相时序控制电流;用这种电流为步进电机供电;步进电机才能正常工作..常见的有单片机 I/O 直接控制;步进电机驱动芯片、运动控制卡..1、单片机 I/O 直接控制方式使用单片机内部的锁存器、计数/定时器;和并行 I/O 接口;可以实现对步进电机的控制;脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成;通过软件中断方式实现步进电机的变速控制;改变通电顺序则可改变转向..2、步进电机专用驱动芯片步进电机专用驱动芯片一般集成度较高;外围电路简单;一般有 ENABLE、STEP 和 DIR 三个输入端;ENABLE 为使能端;使能有效时方可驱动步进电机；STEP 为脉冲输入;输入一个脉冲;即可驱动步进电机产生微动；DIR 为方向 ;改变 DIR 逻辑电平即可换向..3、运动控制卡驱动控制通过计算机可直接控制步进电机;运动控制卡是专用于步进电机控制的 PC 插卡;是应对复杂系统的控制而出现的;一般可同时控制十几台甚至几十台步进电机的运动;一般价格很高..综上;本设计将使用步进电机专用驱动芯片来驱动步进电机..其中肩关节和肘关节俯仰有自锁需求;使用东芝 THB7128 3A 128 高细分步进电机专用驱动芯片驱动;其他轴选用 A4988 微步驱动器..2.4.5传感器的选型本文将使用步进电机和谐波齿轮减速器为机械臂提供动力;步进电机只需要通控制驱动脉冲的数量;即可简单实现较高精度的定位;并使工作物在精确地停在目标位置..步进电机以细分后的步距角为基本单位进行定位..以两相电机为例;其步距角为1.8°;使用 1/16 细分方式进行驱动;那么每给驱动器一个脉冲步进电机转子旋转的角度为角度=1.8°1/16=0.1125°;转子旋转一周需要脉冲数为360°/0.1125°=3200;需要旋转到其他任意角度的计算方式与上式相同..本文使用限位开关的型号为 Omron 微动开关 SS-5 摆杆型限位开关..2.4.6下位机的选型对于机器臂控制;需要对多台电机进行联动控制..为了实现多台电机之间的通信和控制;必须建立一套数据通信系统来完成主计算机与各运动控制单元间的数据交换..基于现场总线的分布式控制技术能够解决这些问题..但常见的分布式控制系统又有 USB 总线;SERCOS总线;RS-485 总线和 CAN 总线等这几种..本设计将采用RS-485 总线来实现机械臂的分布式控制..本设计选用了TI公司的2000系列 DSP TMS320LF2407 作为控制单元..其时钟频率可达 40MHz;具有高速的处理能力;片内资源丰富;特别是它特有两个内置事件管理器模块EVA、EVB..通过JTAG 接口可以方便的对 DSP 进行全速的在系统调试仿真..TMS320LF2407 的电源电压为 3.3V;正常下作电流为 80m A 左右;抗干扰能力较强..关节控制器硬件电路关节控制器是以 DSP 芯片为核心;芯片本身及其外围电路的性能直接决定了系统的性能..故芯片的选择及其外围电路的设计;也就显得十分的重要..下面将通过单个模块电路的方式分别介绍控制器硬件电路..(1)电源电路通过开关电源;接入B0505LS模块产生稳定的的5V 电压作为TPS7333芯片的供电电压;管脚8做为2407 的上电复位信号..管角 5;6 通过滤波电容输出作为 2407 的供电电压3.3V..如图2-5..图2-4 电源电路(2)时钟电路TMS320LF2407 的时钟源可以来自外部有源晶振也可以用晶体;利用内部振荡器..一般经常使用外部时钟输入;因为使用外部时钟时;时钟的精度高、信号比较稳定;外部时钟电路和锁相环电路如图 2-6 所示..图2-5 时钟电路(3)JTAG 接口电路仿真接口电路如图2-7所示.目标层次的TI调试标准使用5个标准的IEEE1149.1JTAG信号TRST、TCK、TMS、TDI、TDO和两个TI扩展口EMU0、EMU1..JTAG 目标器件通过专用的仿真端口支持仿真;此端口由仿真器直接访问并提供仿真功能..JTAG 接口电路为仿真器与微机的接口电路;便于系统进行在线调试..图2-6 JTAG电路(4)外接SRAM电路TMS320LF2407最多可寻址64K的外部程序空间和64K的外部数据空间..由于控制算法的需要;本系统需扩充外部 RAM..TMS320LF2407片内的 Flash可用作程序存储器;但在开发阶段使用 Flash 作为程序存储器极为不便;因为每一次程序的修改都需要对 Flash 进行清除、擦除和编程操作;而且进行CCS 调试时只能设置硬件断点;故从调试的角度考虑;应扩充程序 RAM..这里用的是CY7C1021V33芯片;它是64K16bit的SRAM;存取时间为15ns;故不需要插入等待周期;可保证系统全速运行..图 2-8 为外接 SRAM 扩展电路图..图2-7 SRAM扩展电路图(5)编码器处理电路增量式编码器信号处理电路如图2-9所示..图 2-8 增量式编码器信号处理电路(6)霍尔接近开关电路本设计选用 A31443E 常开型霍尔接近开关..其接法如图 2-10;提供电压为5V;由于输出采用了集电极开路门;必须通过 10K 的上拉电阻接到 5V 电源上..当磁源的某一极与霍尔传感器的距离达到一定范围以内时;输出低电平;否则输出高电平;不需要外接放大电路..一套关节控制器将采用 3 支霍尔接近开关..HALL1、HALL2 分别固定在关节控制器运动的极限位置;其信号通过 IOPE5、IOPE6 不断查询..HALL3 用于绝对零位检测;采用中断的方式..图2-9 霍尔接近开关的接法2.5 机械臂的模块化设计机械臂的大小臂体和关节在整个机械臂中具有高度的相似性;同时机械臂是机电一体化的典型;其主体结构和联接结构都有一定的复杂性;而采用模块化设计思想;可以一定程度上简化设计流程;只需对不同的应用对象进行少量修改便可完成组合适配..2.5.1 旋转关节的设计机械臂的基本单元有旋转关节和俯仰关节;其结构具有相似性;本文重点介绍旋转关节的设计..旋转关节包含有电机、减速器、编码器、制动器以及其他附件;本文使用步进电机直连谐波减速器的驱动方式;使用限位微动开关确定机械臂初始定位零点;以计步进电机已发脉冲数为关节相对旋转角度参考;是一个开环的运动控制系统;动力传递链路为：电机--波发生器--柔轮--刚轮—输出轴..机械臂的旋转关节模块在运行过程中会受到来自机械臂末端的弯矩;因此需要对输出轴做轴向和径向卸荷;减少输出轴的负载;保证系统的刚度;延长使用寿命..一般来说;一根轴需要两个支点;每个支点由一个或一个以上的轴承组成;每组轴承间有以下三种常用的配置方法..1、双支点各单向固定这种轴承配置常用两个反向安装的圆锥滚子轴承或角接触球轴承;两个轴承各限制轴向一个方向的轴向移动..这种配置方式轴向移动限制比较精确、也便于调整轴承的预紧程度..另外深沟球轴承也可用于双支点各单向固定;通过调整外壳与轴承端盖端面的厚度来补偿轴的受热伸长;因而这种配置方式不适合需要对轴做精确轴向定位的场合..2、一支点双向固定;另一端支点游动对于热伸长量较大的轴;这种轴一般跨距较大且工作温度较高;应该采用一支点双向固定;另一支点游动的支撑结构..其双向固定端需要使用能承受双向轴向载荷的轴承;内外圈都需要固定..3、两端游动支撑对于人字齿轮轴;由于本身具有相互间的轴向限位作用;其中只需保证一根轴与机座有相对固定的轴向位置;另一根轴上的两个轴承必须游动;防止人字齿轮卡死或两侧受力不均匀..本文将采用一支点双向固定;另一端支点游动的方式组合成卸荷轴承组;其中双向固定端使用深沟球轴承;游动端使用滚针轴承..其中腰关节使用型号为 HRB 61809-2Z、SKF HK5020;肘关节旋转使用型号为 HRB 61806-2Z、SKF HK3512..2.5.2 旋转关节的设计各运动轴基于模块化设计;设计时已考虑各运动轴的联接;使用简单的金属板件便能将各运动轴连接可靠;并具有一定的刚度..本文各运动轴均为法兰端面输出;与金属板材间通过螺钉联接固定;依靠金属板与法兰端面的摩擦力传递扭矩到金属板材..图 2-11 为肩关节联接金属板材机械加工工程图：图2-10 肩关节联接金属板2.5.3 抓手的设计一款通用型的机械臂应该具有抓取多种物体的能力;也为某一目标物体专门设计一款抓手;因而在设计机械臂臂体与机械抓手时;需要设计一个合理的联接结构;以便机械抓手能够快速更换..机械抓手在抓取物体时需要保持一定的夹持力;本文将使用舵机为机械手爪提供动力;舵机在旋转到位后能持续提供一定的扭矩以保持夹持状态..使用舵机型号为 TowerPro MG945 全金属齿舵机;表2-5舵机型号及相关参数图2-12 为和机械抓手配合的臂体联接结构..同理只要末端执行器设计为可与该联接结构配合;即可实现更换;以完成对不同物体的抓取任务..图2-11 机械臂执行器联接结构3机械臂软件系统设计整个机械臂控制系统软件包括主计算机监控软件和各关节控制器软件..主计算机接收目标位姿数据;完成路径规划算法..另外;主计算机要实时读取关节控制器的反馈数据;记录机械臂的当前位姿;并显示在屏幕上..不仅直线运动、点到点运动、复位动作的完成需要主计算机监控软件协调;而且像各关节绝对位置的确定过程、各关节运动范围是否越界也必须由主计算机实时参与;及时做出决策..主计算机还要提供给用户友好的人机交互界面;方便于用户输入各种命令;存储设置好的参数;允许数据以表格或者曲线等形式导出..3.1 关节控制器软件设计3.1.1 PID控制算法关节控制器TMS320LF2407来实现;完成电机的位置环控制和速度环控制;如图3-1所示..位置环的控制周期设为2ms;速度环的控制周期也设为2ms..由于采用了速度环;系统的动态性性能可以得到显着提高..两个闭环都采用积分分离PD控制;根据实际调试情况;可以对控制律进行适当的化简..零位霍尔接近开关在系统上电时用于较粗略的确定电机的绝对位置;再结合增量编码器的Z通道的信号;就可以较精确的确定出电机的绝对位置..主计算机路径规划求得的目标位置;应该换算成增量码盘的脉冲数后;再发给关节控制器..关节控制器利用它和从增量编码器实际测得的脉冲数进行比较;利用积分分离PID算法求解位置环的控制量..3.1.2 关节控制器程序流程主程序的流程图如3-2所示：图3-1 主程序流程图寄存器初始化操作主要包括：设置CPUCLK为外部晶振的2倍频;即16MHZ；设置串口通讯波特率为：38.4kbPs；设置定时器/计数器相关寄存器；设置QEP 电路单元相关寄存器；设置中断控制寄存器等等..串口数据接收中断服务程序流程图如3-3所示..在中断服务程序中;读取数据接收寄存器中的数据;存入数据接收区;而并不作任何进一步分析和处理..数据接收区是内存中暂时存放数据的区域;当存满一条完整指令信息后;由主程序分析和处理..图 3-2 串口数据接收中断服务程序流程图控制周期2ms定时中断服务程序的流程见图3-4..定时器/计数器3为位置环和速度环控制周期定时2ms;每3ms进入定时中断服务程序一次;读取位置反馈值和速度反馈值;进行积分分离PID运算;最后输出给DA转换成模拟量..每一个插补周期50ms;主计算机向关节控制器发送一次运动规划后的目标位置..该目标位置是以增量编码器信号四倍频后的脉冲数为单位;以前一次的目标位置作为脉冲计数的零点;因此;关节控制器在读取新的目标位置后;也应该以前一次的目标位置作为新的增量码盘脉冲计数零点;测量实际的电机位置;与新的目标位置比较、运算..主计算机根据需要可以查询当前电机运行的实际位置;关节控制器返回的位置则是关节角的绝对位置;单位是0.1度..图3-3 控制周期定时中断服务服务程序流程图4 结束语本文提出了一套机械臂结构方案..硬件上;对机械臂的构型、臂杆长度、电机、驱动器、减速器、传感器和主控制器进行了选型..并且对机械臂进行了模块化设计;其中包括旋转关节的设计、连接件的设计和抓手的设计..软件方面设计了DSP关节控制器;实现了电机位置和速度闭环控制..基于RS485总线和DSP 的分布式控制体系结构;具有高速、稳定、可靠、易于维护等优点;适合于六自由度机械臂的实时控制..5 参考文献1 王罗罗. 机械臂的结构设计及控制研究D. 哈尔滨工业大学; 2009.2 招绍坤. 轻型机械臂模块化设计与运动控制的研究 D. 哈尔滨工业大学; 2010.3 王再明. 轻型臂电控系统的研究D. 哈尔滨工业大学; 2007.4 方红根;杨军. 基于模块化关节轻型机械臂的研制J. 上海电气技术; 2011.5 濮良贵. 机械设计M. 北京：高等教育出版社;2012：186-273.6 李世其; 刘洋; 朱文革 ;刘燕; 贾阳. 多关节轻型机械臂的设计研究J. 航天器工程; 2009.7 刘宝志. 步进电机的精确控制方法研究D. 山东大学; 2010.8 雷凯. 步进电机细分驱动技术的研究D. 苏州大学; 2003.。
工业机器人的控制
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3. 机器人电动机的变换器 对于直流电动机, 变换器首先将其电压和电流控制到希望 的数值; 对于交流电动机, 电力变换器首先将其电压、 电流 和频率控制到希望的数值, 然后对电动机的速度进行控制, 进 而对电动机的位置进行控制。 图5.4所示为电动机的种类。
2. 示教编程方式
1)
教编程中。具体的方法是人工利用示 教手柄引导末端执行器经过所要求的位置,同时由传感器检测 出工业机器人各关节处的坐标值,并由控制系统记录、存储下 这些数据信息。实际工作当中, 工业机器人的控制系统重复再 现示教过的轨迹和操作技能。
4、工业机器人控制
4.1 工业机器人控制系统的特点 4.2 工业机器人控制系统的主要功能 4.3 工业机器人的控制方式 4.4 电动机的控制 4.5 机械系统的控制
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4.1 工业机器人控制系统的特点
机器人的结构是一个空间开链机构, 其各个关节的运动是 独立的, 为了实现末端点的运动轨迹, 需要多关节的运动协调。 因此, 其控制系统与普通的控制系统相比要复杂得多,具体如 下:
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4.2 机器人的位置控制
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2、主要控制变量 任务轴R0：描述工件位置的坐标系 X(t):末端执行器状态； θ(t):关节变量； C(t)：关节力矩矢量； T(t)：电机力矩矢量； V(t)：电机电压矢量
本质是对下列双向方程的控制：
V ( t) T ( t) C ( t) ( t) X ( t) 精品课件
4.3 工业机器人的控制方式
示教方式中经常会遇到一些数据的编辑问题, 其编辑机能 有如图5.1所示的几种方法。
在图中, 要连接A与B两点时, 可以这样来做: (a) 直接连 接; (b) 先在A与B之间指定一点x, 然后用圆弧连接; (c) 用 指定半径的圆弧连接; (d) 用平行移动的方式连接。在CP(连 续轨迹控制方式)控制的示教中, 由于CP控制的示教是多轴同 时动作, 因此与PTP控制不同,它几乎必须在点与点之间的连线 上移动, 故有如图5.2所示的两种方法。