一、引言
機(jī)器人研討是自動(dòng)化范疇最龐大。最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機(jī)器。電子。計(jì)算機(jī)。資料。傳感器。控制技術(shù)等多門(mén)學(xué)科于一體，是多學(xué)科高技術(shù)結(jié)果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機(jī)器人技巧的研討更是處于機(jī)器人課題研討的前沿，它正在必然水平上代表了一個(gè)國(guó)度的高科技開(kāi)展程度。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制技術(shù)的焦點(diǎn)，也是機(jī)器人研討范疇的關(guān)鍵技術(shù)之一，正在機(jī)器人節(jié)制中存在無(wú)足輕重的位置，是以，各研討機(jī)構(gòu)皆把對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研討作為首要任務(wù)。
舉措調(diào)和。存在必然智能。能實(shí)現(xiàn)無(wú)線及時(shí)行走曾經(jīng)成為現(xiàn)今機(jī)器人開(kāi)展的主題。跟著以電子計(jì)算機(jī)跟數(shù)字電子技巧為代表的古代高技術(shù)的不休開(kāi)展，特殊是以DSP為代表的高速數(shù)字信號(hào)處理器跟大規(guī)模可編程邏輯器件的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也從之前單一的布局跟簡(jiǎn)略的功用向著結(jié)構(gòu)化。標(biāo)準(zhǔn)化。模塊化跟高度集成化的標(biāo)的目的開(kāi)展，采取開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)曾經(jīng)成為該技巧開(kāi)展的一種必然趨勢(shì)。本文作者恰是適應(yīng)這一趨向，計(jì)劃出一種多功能分布式仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
兩、節(jié)制工具與要求
咱們以國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的新一代仿人步行機(jī)器人為研討工具。該機(jī)器人高約1.55m，重約65kg，利用電池供電，無(wú)需中接電源跟節(jié)制信號(hào)線，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜行走，借可以實(shí)現(xiàn)人的腿部。手部跟頭部的一些根本舉措，曾經(jīng)開(kāi)端具有了人類(lèi)的形狀特點(diǎn)。這臺(tái)新型仿人機(jī)器人一共存在36個(gè)自由度，此中上肢12個(gè)，下肢12個(gè)，頭部2個(gè)，手部10個(gè)；下肢各個(gè)樞紐有地位傳感器，足部有多維力/力矩傳感器；存在視覺(jué)傳感。語(yǔ)音控制系統(tǒng)和無(wú)線遙控模塊；全部控制系統(tǒng)。電源集成正在機(jī)器人本體上。為了使之真正存在“仿人”的特色，控制系統(tǒng)必需可能實(shí)現(xiàn)包羅運(yùn)動(dòng)節(jié)制與計(jì)劃。視覺(jué)感知處置懲罰。語(yǔ)音辨認(rèn)跟別的情況感知在內(nèi)的多種功用。此中，運(yùn)動(dòng)節(jié)制是全部控制系統(tǒng)的要害，它必需可能知足以下要求：
體系集成度下。體積孝重量輕。功率年夜。效率高跟機(jī)載化。
各個(gè)模塊之間的毗鄰簡(jiǎn)明，便于裝置跟保護(hù)。
控制器應(yīng)存在優(yōu)越的靜態(tài)相應(yīng)跟追隨特性，穩(wěn)態(tài)偏差跟靜態(tài)偏差校
系統(tǒng)集成正在機(jī)器人本體上，電磁干擾較強(qiáng)，必需存在較強(qiáng)的抗干擾能力。
各部門(mén)的數(shù)據(jù)交換必需及時(shí)無(wú)效跟精確靠得住。
三、動(dòng)控制系統(tǒng)計(jì)劃
依據(jù)以上要求，咱們計(jì)劃了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的新型控制結(jié)構(gòu)。全部控制系統(tǒng)采取集中管理分散控制的方法，依照控制系統(tǒng)的布局跟功用分別為三層：組織層。調(diào)和層。執(zhí)行層。此中，組織層由機(jī)器人本體外的一臺(tái)工作站構(gòu)成，次要擔(dān)任實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。無(wú)線通訊。語(yǔ)音。視覺(jué)和宏指令天生等功用，屬于智能節(jié)制領(lǐng)域，本文沒(méi)有做深入探討；調(diào)和層跟執(zhí)行層皆集成正在機(jī)器人本體上，實(shí)現(xiàn)詳細(xì)的節(jié)制使命，屬于物理節(jié)制領(lǐng)域，是咱們平常意思上的控制系統(tǒng)，其詳細(xì)布局如圖3所示。
主控計(jì)算機(jī)模塊
主控計(jì)算機(jī)要求體積孝運(yùn)算速率快，平常采取小板工業(yè)節(jié)制計(jì)算機(jī)，同時(shí)裝備液晶顯示器跟克己公用功用鍵盤(pán)，次要實(shí)現(xiàn)在線運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。舉措級(jí)運(yùn)動(dòng)節(jié)制。語(yǔ)音交互節(jié)制。視覺(jué)扶引節(jié)制和人機(jī)交互等功用。它接管當(dāng)?shù)貍鞲衅鞯男畔ⅲ罁?jù)必然的控制算法跟使命要求，及時(shí)天生樞紐軸系的使命計(jì)劃數(shù)據(jù)并經(jīng)由過(guò)程數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運(yùn)動(dòng)控制器。
通訊模塊
主控計(jì)算機(jī)跟各控制器之間采取CAN總線停止通訊。CAN（ControllerAreaNetwork）總線是使用最為普遍的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前為止獨(dú)一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。絕對(duì)于普通通訊總線，它的數(shù)據(jù)通信存在突出的可靠性。實(shí)時(shí)性跟靈活性。其特色次要有：
CAN總線為多主方法，收集上任一節(jié)點(diǎn)均可正在隨意率性時(shí)辰向別的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可以經(jīng)由過(guò)程標(biāo)識(shí)符分紅分歧的優(yōu)先級(jí)，知足分歧的及時(shí)要求。
CAN總線采取非毀壞的總線仲裁技巧，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有影響下優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。
CAN總線節(jié)點(diǎn)正在40m內(nèi)通訊速度最高可達(dá)1MBPS。
什么是分揀機(jī)器人CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)在尺度幀格局下可到達(dá)110個(gè)，擴(kuò)展幀格局下簡(jiǎn)直沒(méi)有受限制。
報(bào)文采取短幀格局，傳輸工夫短，出錯(cuò)率極低。
CAN總線通訊介質(zhì)可選用雙絞線，其布局靈巧，毗鄰便利。
CAN總線的以上特色使之非常合用于機(jī)器人節(jié)制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的通訊對(duì)象。詳細(xì)毗鄰方法為：主控計(jì)算機(jī)經(jīng)由過(guò)程CAN總線接口卡毗鄰到總線上，各運(yùn)動(dòng)控制器也皆經(jīng)由過(guò)程總線收發(fā)器掛接到總線上，并且可以依據(jù)實(shí)際環(huán)境增減數(shù)量。因?yàn)镃AN總線只用兩根線停止通訊，大大降低了體系連線的復(fù)雜程度，同時(shí)加強(qiáng)了體系的可靠性能。
執(zhí)行層模塊
執(zhí)行層處于全部控制系統(tǒng)的最底層，由分歧類(lèi)型的控制器構(gòu)成，次要用來(lái)節(jié)制各運(yùn)動(dòng)樞紐軸系的詳細(xì)履行進(jìn)程。因?yàn)楦鬟\(yùn)動(dòng)樞紐機(jī)電的型號(hào)分歧。承載的重量分歧，對(duì)控制精度的要求也分歧，咱們離別為之計(jì)劃了分歧的運(yùn)動(dòng)控制器。
①開(kāi)環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器
頭部跟上肢背載重量較沉，是以采取開(kāi)環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器去對(duì)頭部跟上肢各樞紐停止節(jié)制。這些控制器沒(méi)有須要采樣跟反應(yīng)，間接吸收主控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的節(jié)制下令，然后天生響應(yīng)的執(zhí)行命令發(fā)給各樞紐軸系，使之轉(zhuǎn)到響應(yīng)角度。
快遞分揀機(jī)器人簡(jiǎn)介分揀機(jī)器人企業(yè)排名②開(kāi)環(huán)MCU運(yùn)動(dòng)控制器
手部各個(gè)樞紐體積跟質(zhì)量皆很小，故采取開(kāi)環(huán)MCU運(yùn)動(dòng)控制器去停止節(jié)制。這些控制器采取MCS-51單片機(jī)作為處理器，可以間接嵌入到手掌內(nèi)，它們吸收主控計(jì)算機(jī)的節(jié)制下令，應(yīng)用其IO引腳發(fā)生須要的多路脈沖節(jié)制旌旗燈號(hào)，節(jié)制手部各樞紐的運(yùn)動(dòng)。
③閉環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器
腿部一切軸系均由直流減速驅(qū)動(dòng)型機(jī)電組成，帶零位檢測(cè)。碼盤(pán)跟電位計(jì)反應(yīng)和多維力/力矩傳感器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。節(jié)制難度年夜。精度要求也下，故采取閉環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器。這部分是全部控制系統(tǒng)的要害，也是咱們研討的重點(diǎn)。
控制系統(tǒng)流程
全部控制系統(tǒng)的詳細(xì)流程為：體系開(kāi)始運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)初始化事情；主控計(jì)算機(jī)依據(jù)計(jì)劃跟計(jì)較向底層控制器發(fā)送節(jié)制下令，底層控制器接收到下令后，聯(lián)合各傳感器反應(yīng)的信息，經(jīng)由過(guò)程必然的控制算法天生響應(yīng)的執(zhí)行命令并發(fā)送給各樞紐履行軸系，同時(shí)把底層軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境上傳給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)依據(jù)新的環(huán)境再發(fā)生新的下令發(fā)送給各控制器，如斯重復(fù)。那事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反應(yīng)進(jìn)程，底層控制器經(jīng)由過(guò)程傳感器與各樞紐軸系之間停止小輪回反應(yīng)，主控計(jì)算機(jī)經(jīng)由過(guò)程各控制器與各樞紐軸系之間停止年夜回路反應(yīng)，如許可以使機(jī)器人存在更多的“智能”，更好的停止離線實(shí)時(shí)控制。
主控計(jì)算機(jī)每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數(shù)據(jù)，底層控制器向主控計(jì)算機(jī)反應(yīng)一樣數(shù)量的數(shù)據(jù)，而CAN總線的最大通訊速度可以到達(dá)幾千幀/秒，完整可以知足節(jié)制的要求。
四、控制器具體計(jì)劃
節(jié)制下肢的閉環(huán)DSP控制器是全部控制系統(tǒng)的焦點(diǎn)部門(mén)，負(fù)擔(dān)著全部機(jī)器人的背載重量，輸出功率年夜，對(duì)節(jié)制的精度要求也下，是以它的機(jī)能間接關(guān)聯(lián)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。咱們專(zhuān)門(mén)為之計(jì)劃了基于單地位傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其布局如圖4所示。
DSP主處理器選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高級(jí)產(chǎn)物，十分合用于工業(yè)節(jié)制。它的兩個(gè)事宜管理器功用尤其壯大，完整是為機(jī)電節(jié)制計(jì)劃的，可應(yīng)用多個(gè)PWM脈沖通道間接發(fā)生須要的PWM脈沖節(jié)制旌旗燈號(hào)；其CAN總線模塊可以間接與主控計(jì)算機(jī)停止通訊而沒(méi)有須要增長(zhǎng)CAN總線控制器；內(nèi)部看門(mén)狗可以對(duì)控制器電壓停止監(jiān)控；內(nèi)部存儲(chǔ)器中寄存著控制算法所需的需要參數(shù)。
控制器的單地位傳感器由電壓輸出傳感器跟光電碼盤(pán)傳感器構(gòu)成。此中，電壓傳感器把軸系的地位信息轉(zhuǎn)換成電壓旌旗燈號(hào)，顛末縮小電路縮小，再顛末專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP主處理器。不消TMS320LF2407A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器而利用專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這是為了進(jìn)步轉(zhuǎn)換的精度，由于TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換器所能接管的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而顛末功率放大后的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了此規(guī)模，以是利用了專(zhuān)門(mén)的A/D轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增長(zhǎng)了控制器的復(fù)雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，以是是非常值得的。碼盤(pán)傳感器把軸系的地位信息轉(zhuǎn)換成脈沖旌旗燈號(hào)，顛末光電斷絕器件斷絕后送入公用脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計(jì)數(shù)器選用現(xiàn)今風(fēng)行的CPLD器件，其壯大的功用對(duì)進(jìn)步控制器的機(jī)能有很大的資助，同時(shí)借可以作為譯碼電路為主處理器供給譯碼功用。
主處理器經(jīng)由過(guò)程對(duì)吸收到的傳感器旌旗燈號(hào)停止剖析跟計(jì)較之后發(fā)生響應(yīng)的PWM脈沖節(jié)制旌旗燈號(hào)，顛末光電斷絕跟功率放大后送給底層軸系節(jié)制軸系的運(yùn)轉(zhuǎn)。利用單傳感器可以大大提高反應(yīng)的精度，兩路旌旗燈號(hào)可以同時(shí)思量，也可以一路為主，此外一路供給增補(bǔ)跟參考。
主處理器經(jīng)由過(guò)程CAN總線與主控計(jì)算機(jī)停止通訊，吸收主控計(jì)算機(jī)的下令并把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的反應(yīng)節(jié)制。主處理器經(jīng)由過(guò)程CAN總線收發(fā)器毗鄰到總線上，為進(jìn)步精度，中央須要停止光電斷絕。
該控制器間接裝置正在仿人機(jī)器人的體內(nèi)，每一個(gè)控制器可以同時(shí)節(jié)制6個(gè)樞紐軸系，全部下肢只須要兩個(gè)控制器便可以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)節(jié)制。
五、論斷
咱們正在充足接收現(xiàn)今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)結(jié)果的根底上，計(jì)劃出一套速率快。穩(wěn)定性強(qiáng)。集成度下。布局靈巧。使用方便的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。全部運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可間接嵌入到機(jī)器人本體內(nèi)，以便正在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中美滿(mǎn)天實(shí)現(xiàn)劃定的節(jié)制使命。同時(shí)，該控制系統(tǒng)另有很強(qiáng)的擴(kuò)展功用，可以便利天移植到別的近似的節(jié)制機(jī)構(gòu)中來(lái)，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，存在廣漠的使用前景。
廣州分揀機(jī)器人供應(yīng)商分揀機(jī)器人技術(shù)難度大嗎分揀機(jī)器人現(xiàn)狀