工业机器人遥操作控制系统设计——嵌入式伺服控制器设计

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；嵌入式工学学士论文摘要ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnology,robotsareappliedtoindustryandlifemoreandmorewidely.Thistaskisonthedesignofembeddedservocontrolleroftheteleoperationcontrolsystemofaindustrialrobot.Throughdealingwiththecommandfromthehostmicroprocessorandthefeedbacksignal,itrealizesthewiredremotecontrolandthereoccurrenceoftheoriginalorbit.Thedesignmainlyconsistsoftwoparts:hardwareandsoftwaredesign.Intermsofhardware,theultra-lowpoweredmixedsignalcontrollerMSP430oftheMSP430seriesproducedbyTIIncischosenasthemainmicroprocessor,CANbusisusedtocommunicatewiththehostmicroprocessor,forthegoalofcontrollingthedrivethroughisolatingandamplifyingthesignalandcollectingthefeedbacksignalfromtheopticalencoder.Intermsofsoftware,itconsistsofthemainprogram,buscommunicationprogram,automaticcontrolprogramandsoon.Thisdesigncombinesavarietyofprofessionalknowledge,embeddedsystemisusedtodevelopthecontrolperformanceoftherobot,hardwareisusedtocompletethecontrolalgorithmandallaboveisfordispatchingthetasksreasonably,real-timecontrollingandcommunicating,promotingthefullintegrationofrobotsandindustry.Keywords:industrialrobot;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..........................................................................133.1MPS430单片机概述................................................................................133.2CAN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..............................................................................................454.3CAN总线通讯程序设计.........................................................................475设计总结......................................................................................50参考文献..........................................................................................52致谢..................................................................................................54工学学士论文目录附录一(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11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。工学学士论文绪论2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”(MarsPathfinder)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