《管理信息化工业机器人遥操作控制系统设计嵌入式伺服控制器设计.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《管理信息化工业机器人遥操作控制系统设计嵌入式伺服控制器设计.（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、工学学士论文 摘要摘要随着科技的发展，机器人越来越广泛的应用于工业和生活。本课题是工业机器人遥操作控制系统设计之嵌入式伺服控制器的设计，通过对上位机命令和反馈信号的处理，实现对其进行有线遥控及运动轨迹的示教再现。本设计主要由硬件设计和软件设计两方面组成。在硬件方面，微处理器采用TI公司的MSP430系列超低功耗的混合信号控制器MSP430F449，采用CAN总线与上位机通讯，并经过隔离放大信号实现对驱动器的控制并采集光电编码器反馈的信号。软件部分也主要包括主程序，总线通讯程序和自动控制程序等。本设计综合了多方面的专业知识，利用嵌入式系统发展了机器人的控制性能，用硬件实现控制算法，同时完成任务的
2、合理调度、实时控制和通信功能，促进机器人和工业的全面接轨。关键词：工业机器人；控制器；嵌入式 ABSTRACTWith the development of science and technology, robots are applied to industry and life more and more widely. This task is on the design of embedded servo controller of the teleoperation control system of a industrial robot. Through dealing with
3、 the command from the host microprocessor and the feedback signal, it realizes the wired remote control and the reoccurrence of the original orbit.The design mainly consists of two parts: hardware and software design. In terms of hardware, the ultra-low powered mixed signal controller MSP430 of the
4、MSP430 series produced by TI Inc is chosen as the main microprocessor, CAN bus is used to communicate with the host microprocessor, for the goal of controlling the drive through isolating and amplifying the signal and collecting the feedback signal from the optical encoder. In terms of software, it
5、consists of the main program, bus communication program, automatic control program and so on.This design combines a variety of professional knowledge, embedded system is used to develop the control performance of the robot, hardware is used to complete the control algorithm and all above is for disp
6、atching the tasks reasonably, real-time controlling and communicating, promoting the full integration of robots and industry.Keywords: industrial robot; controller; embedded工学学士论文 目录目录1 绪论11.1机器人和机器人学11.2 机器人的分类11.3 工业机器人的发展22设计概述82.1 工业机器人的基本组成82.2 机器人的自由度102.3课题组总框架102.4控制器的功能及设计思路113 硬件设计与选型133.1
7、 MPS430单片机概述133.2 CAN总线接口设计163.3光电编码器的反馈信号353.4伺服驱动器的控制384 系统软件设计444.1MSP430集成开发调试环境444.2主程序设计454.3 CAN总线通讯程序设计475 设计总结50参考文献52致谢54附录一(设计组总框图)55附录二(本设计原理图)56附录三(外文文献翻译)57工学学士论文 绪论1 绪论1.1机器人和机器人学人们从一开始制作物品时，就有用各种方式制作机器人的想法。尽管从原理上讲，类人机器人是机器人，并具有与机器人相同的设计与控制原理，但本设计研究的机器人是工业用机械手型机器人。如果将常规的机器人操作手与挂在多用车或牵
8、引车上的起重机进行比较，可发现两者非常相似。它们都具有许多连杆，这些连杆通过关节依次连接，这些关节有驱动器驱动。在上述两个系统中，操作器的“手”都能在空中运动并可以运动到工作空间的任何位置，它们都能承载一定的负荷，并都用一个中央控制器控制驱动器。然而，它们一个称为机器人，另一个称为操作机(也就是起重机)，两者最根本的不同是起重机是由人来控制驱动器，而机器人操作手是由计算机编程控制，正是通过这一点可以区别一台设备到底是简单的操作机还是机器人。通常机器人设计成由计算机或类似装置来控制，机器人的动作受计算机监控的控制器所控制，该控制器本身也运行某种类型的程序。机器人学是人们设计和应用机器人的技术和知
9、识1。机器人系统不仅由机器人组成，还需要其他装置和系统连同机器人一起来共同完成必需的任务。机器人可以用于生产制造、水下作业、空间探测、帮助残疾人甚至娱乐等方面。通过编程和控制，许多场合均可以应用机器人。机器人学是一门交叉学科，它得益于机械工程、电气与电子工程、计算机科学、生物学以及其他学科。1.2 机器人的分类机器人的分类方法很多，这里依据两个有代表性的分类方法列举机器人的分类。首先，机器人按应用可分为工业机器人、极限作业机器人和娱乐机器人。工业机器人有搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于现代化的工厂和柔性加工系统中。极限作业机器人主要是指用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间进行
10、作业的机器人，也包括建筑、农业机器人等。娱乐机器人包括弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、玩具机器人等(具有某种程度的通用性)，也有根据环境而改变动作的机器人。其次，按照控制方式机器人可分为操作机器人、程序机器人、示教再现机器人、智能机器人和综合机器人。操作机器人的典型代表是在核电站处理放射性物质时远距离进行操作的机器人。在这种场合，相当于人手操纵的部分称为主动机械手，进行类似动作的部分称为从动机械手。两者基本是类似的，但从动机械手要大些，是用经过放大的力进行作业的机器人；主动机械手要小些。也有一方面用显微镜进行观察，一方面进行精密作业的机器人。程序机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业。示教再
11、现机器人同盒式磁带的录放一样，机器人将所教的操作过程自动地记录在磁盘、磁带等存储器中，当需要再现操作时，可重复所教过的动作过程。示教方法有直接示教与遥控示教。智能机器人不仅可以进行预先设定的动作，还可以按照工作环境的变化改变动作。综合机器人是由操纵机器人、示教再现机器人、智能机器人组合而成的机器人，如火星机器人。1997年7月4日，“火星探险者”(Mars Pathfinder)在火星上着陆，着陆体是四面体形状，着陆后三个盖子的打开。它在能上、下、左、右动作的摄像机平台上装有两台摄像机，通过立体观测而得到空间信息。整个系统可以看作是由地面指令操纵的操作机器人。1.3 工业机器人的发展1.3.1
12、 全球机器人的发展状况1954年，美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念2，并申请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教，机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人，现有的机器人差不多都采用这种控制方式。图1.1 Unimate工业机器人和Versatran工业机器人1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F. Engel Berger创建了世界上第一个机器人公司Unimation(Universal Automation)公司，并参与设计了第一台Unimate机器人，如图1.1所示。这是一台用于压铸作业的五轴液压驱动机器人，手
13、臂的控制由一台专用计算机完成。它采用分离式固体数控元件，并装有存储信息的磁鼓，能够记忆完成180个工作步骤。与此同时，另一家美国公司AMF公司也开始研制工业机器人，即Versatran(Versatile Transfer)机器人，如图1.1所示。它主要用于机器之间的物料运输，采用液压驱动。该机器人的手臂可以绕底座回转，沿垂直方向升降，也可以沿半径方向伸缩。一般认为，Unimate和Versatran是世界上最早的工业机器人(见图1.1)。这两种工业机器人的控制方式和数控机床大致相似，但外形特征迥异，主要有类似人的手和臂组成。工业机器人的发展历史可用表1.1来说明。表1.1 工业机器人的发展历
14、史年代领域事件1955理论Denavit和Hartenberg发展了齐次变换1961工业美国专利2998237，George devol的“编程技术”、“传输”(基于Unimate机器人)1961技术第一台Unimate机器人安装，用于压铸1961技术有传感器的机械手MH-1，由Ernst在麻省理工学院发明1961工业Versatran圆柱坐标机器人商业化1965理论L.G.Roberts将齐次变换矩阵应用于机器人1965技术MIT的Roborts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统1967理论日本成立了人工手研究会(现改名为仿生机构研究会)，同年召开了日本首届机器人
15、学术会1968技术斯坦福研究院发明带视觉的、由计算机控制的行走机器人Shakey1969技术VCSheinman及其助手发明斯坦福机器臂1970理论在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议。1970年以后，机器人的研究得到迅速广泛的普及1970技术ETL公司发明带视觉的自适应机器人1971工业日本工业机器人协会(JIRA)成立1972理论RPPaul用DH矩阵计算轨迹 1972理论DEWhitney发明操作机的协调控制方式1973理论 辛辛那提米拉克隆公司的理查德豪恩制造了第一台由小型计算机控制的工业机器人，它是液压驱动的，能提升的有效负载达45kg1975工业美国机器人研究院成立1975工业Unimation公司公布其第一次利润1976技术在斯坦福研究院完成用机器人
