关节型机器人的结构设计_周彦云(2)

　周彦云·关节型机器人的结构设计

关节相连而构成的一个开式连杆系。据此将机器人简化为连杆机构,并在底座上建立基坐标系,每个关节上建立一相对运动坐标系。连杆系统坐标系如图2所示。

当机器人操作机的结构参数和运动参数确定后,便可由机器人运动学方程来确定机器人末端执行器在机座坐标系中的位姿。根据连杆系统变换矩阵T的通式,将连杆参数代人通式中,可得到连杆变换矩阵,然后将连杆变换矩阵代入运动方程中,即可解得机器人末端参考点在基坐标系中的位姿矩阵T,完成整解。

若已知机器人操作机的末端位姿(n,o,a,p)。通过齐次坐标变换,即可求出末端执行器在基坐标系中的位置和方向。经推导可求出其五个关节变量的运算公式。3　串联关节型机器人控制系统设计

机器人驱动一般采用交流伺服电机,对于性能指标要求不太高的场合也可以采用步进驱动系统;步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移(或线位移)的机电元件。步进电机的优点归纳起来主要有:步距值不受各种干扰因素的影响;位移与输入脉冲信号相对应,步距误差不长期积累;可以用数字信号直接进行开环控制,整个结构简单廉价;无刷,电动机本体部件少,可靠性高;控制性能好。本例机器人的控制系统结构分三级,PC机为第一级,主单片机为第二级,从单片机为第三级。PC机控制系统包括机器人控制界面和串行通讯程序两部分,通过PC机的COM2口将各种控制命令和数据发送给主单片机。在NGR01型机器人设计过程中,基于上述思路构造了一种三级结构多CPU并行工作方式的电气控制系统,如图3所示。图中第一级计算机选用工业级嵌入式PC机,主要完成机器人路径规划、正向运动学和逆向运动学的计算,然后把计算结果通过RS-232C串行口送给下一级计算机。第二级计算机一方面接收到PC机下发的命令信息(如示教方式、自动方式、状态查询等)或各关节旋转角度数据后,立即转发给下一级计算机执行;另一方面它还具有独立的下位机手动示教键盘接口功能。第三级计算机通过内部并行数据总线和握手信号按约定的逻辑关系进行数据通信,它主要接收上一级计算机发来的命令和数据,然后控制对应关节电动机旋转相应的角度,驱动机器人手指到达所要求的位置

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2010年第5期

CMOS单片机。该器件运用了ATMEL公司的高密度非易失存储器技术,与工业标准的80C51的指令和管脚排列兼容。芯片内可下载的FLASH存储器可通过SPI串行接口或通过通用的非易失存储器编程器对程序存储器进行系统内的重新编程。通过将可下载的FLASH存储器与通用的8位CPU相结合,AT89C51成为一种许多嵌入式应用系统中低成本,灵活性好的单片机[4]。

下位机AT89C2051控制系统的主要功能是实现对步进电机的调速控制、与上位单片机AT89C51的通讯及完成行程开关信号调理。下位机控制电路主要由AT89C2051单片机、SH-20402A驱动器组成。其中AT89C2051单片机是美国ATMEL公司AT89系列中经济低价产品,与MCS-51结构基本一致,区别是减少了P0和P2端口,增加了一个模拟比较器。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件,它不能直接接到交直流电源上工作,而必须使用专用设备——步进电机控制驱动系统。典型步进电机控制驱动系统如图4所示

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图3　控制系统示意

3.1　硬件系统的组成

机器人的控制系统是一种分级式结构系统。上位机控制系统是PC机与下位单片机之间的桥梁,是整个机器人控制系统的核心部分。其主要功能包括与PC机、下位单片机之间的通讯控制,数据的处理与存储,轨迹插补,以及对系统的实时监控。上位机控制系统主要由AT89C51单片机、MAX232电平转换器、62256数据存储器、INS8250组成。其中AT89C51是整个上位机控制系统的核心。AT89C51是一种低功耗,高性能,内部带有4K字节的可下载FLASH存储器、128字节RAM的8位

图4　步进电机控制驱动系统原理

变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信号发生器,它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后,经过功率放大器的放大驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类:一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能,通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器,通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大,以达到驱动步进电机的目的[5]。3.2　控制系统软件结构设计

机器人控制涉及运动学计算和传动路径,以实现各关节的实时控制,选用的软件环境要有针对性。复杂的运动学处理和友好的人机交互界面比较适合采用高级语言完成,而实时在线控制较多采用汇编语言实现。这种控制方式具有一定的通用性和代表性,可以推广应用到类似的上下位机控制场合。为了便于高、低级语言的混合编程,建议选用VC和Intel8086语言。下位机也可以使用MCS51系列单片机汇编语言实现各关节的控制,而与高级语言之间的接口可以通过串行通信等方式来完成。

对于如图3所示的电气控制系统来讲,控制系统软件包括上位机应用程序和下位机应用程序两部分。第一级计算机采用VC++高级语言编程,而第二级和第三级计算机采用了单片机汇编语言 …… 此处隐藏：445字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……