机器人控制系统

机器人控制系统（精选12篇）

机器人控制系统 篇1

0 引言

随着机器人技术的高速发展,对机器人的需求急剧增大。根据机器人工作环境的不同分为工业机器人和特种机器人。工业机器人是面向工业领域的多自由度机器人,而特种机器人是服务型机器人。其中移动机器人是特种机器人的一种,具有体积小、可靠性高、适应能力强的特点。移动机器人行走有轮式、履带式、腿式三种形式。轮式机器人移动速度快、控制比较灵活,但是越障能力有限,在冰雪、泥地性能不足;履带式移动机器人抓地性能好,但是无法保障高通过能力;腿式机器人控制复杂,不适于对灵活性、快速性高的场合。

1 自主移动机器人规划路径

自主移动机器人能根据指令及环境进行自主路径规划,不断采集局部环境信息,做出决策实现安全到达目标地点。移动机器人采用上下位机控制方式,通过调整左右驱动轮实现运动,机器人载体通过无线通讯发送数据给上位机,机器人通过摄像头测距避障系统完成侦察观测。光靠图像识别摄像头,角度和转动是有限制的,辅以超声红外动态测距避障系统,可以对摄像头侦察范围外的障碍物进行测距和定位。由于摄像头在微弱的光线下无法观察,借助红外动态测距可以弥补不足。通过对障碍物进行测距,无线传输到动机器人可以在光线差的环境中自主寻找光源完成相应任务。系统软件启动后进行系统自检和初始化,然后进行路径的规划。若发现光源,机器人停止运动,等待命令;没有发现光源,发现光源机器人停止运动,发出出错信息。当超声波系统发现前方有障碍物时,将产生外部中断,终止程序运行,重新规划路径,实现机器人的自主移动。

机器人的轨迹包括位移、速度和加速度。轨迹的生成是先给定轨迹上若干点,将其景运动学映射到关节空间,建立相应点运动方程,对关节进行插值,实现空间的运动要求。机器人的规划指机器人根据自身任务,解决方案的过程。

机器人运动规划是对手部位姿的描述,控制轨迹是按时控制手部或工具中心的空间路径。机器人的运动描述为工具坐标系和工件坐标系的相对运动。这种运动需把机器人、手爪、工具分离开,抽象出模型的描述方法。通常用点来表示机器人的状态或表示工具坐标系的位姿。不仅要规定机器人的起点和终点,还要规定中间点。运动轨迹除了位姿约束外,还存在各路径点之间的时间分配。机器人运动应当平稳,否则会造成机械部件的磨损。

机器人的轨迹规划一般是三步:第一步对机器人的任务进行运动路径的设计。第二步根据轨迹参数,模拟路径。第三步是对轨迹进行计算,算出位置、速度和加速度,生成运动轨迹。轨迹规划可以在关节空间进行,也可以在直角坐标空间进行。在关节空间进行的轨迹规划是将所有关节变量表示为时间的函数,用一阶、二阶导数描述机器人预期运动。在直角坐标空间规划轨迹是将手爪位姿、速度、加速度表示为时间函数,相应的关节位置、速度、加速度由手爪信息导出。

2 移动机器人进化控制系统

基于功能集成的移动机器人系统是由进化规划模块和基于行为的控制模块组成的。这种综合体系的优点是具有实时性,保持了目标可控性,具有自学习功能,不断调行为,以达到适应环境、完成任务的目的。机器人的避障、平衡、前进和后退是基于行为的模块来提供。进化规划模块负责高智能任务,包括路径规划及任务生成、协调工作。为了完成特定任务,进化规划模块需将目标驱动状态激活,设置协调参数。移动机器人进化控制系统储存了经验库指导进化规划。为了缓和系统各种行为模块的竞争,需要进化规划模块统筹安排。这种柔性协调策略根据机器人所处环境和执行任务不同而调整,在原有的基础上加以完善。

移动机器人进行控制系统的实现需要进行逻辑设计和物理实现。逻辑设计以进化规划模块与反射行为的实现为中心。离线进化算法模块根据经验知识对机器人运动路线做出离线规划,机器人的运动由运动规划模块控制。当遇到障碍时,启动反射行为,机器人有效避开障碍物。机器人启动在线进化规划,计算新路径,保持路径跟踪的有效。

3 机器人控制系统组态

机器人控制系统软件分为上位机软件和下位机软件。上位机有系统编程软件,下位机提供伺服软件。系统软件提供系统定义、命令、语言、编译。系统软件针对运动形式,进行轨迹的规划、坐标变化。

下位机是直接控制设备的计算机,一般是PLC或单片机。上位机发出的命令首先发给下位机,下位机根据命令解释成时序信号直接控制外部设备。下位机不时读取设备状态数据,转化成数字信号反馈给上位机。下位机控制系统是检测机器人系统的核心,其性能的优劣直接影响机器人的执行能力。

下位机主要由CPU214模块、3个数字量输出模块EM232、1个模拟量扩展模块EM231,3个变频器、传感器、采样控制模块、电源组成。控制系统使用的电源取决于控制系统的需求。由于机器人不断移动,系统采用充电电池供电。机器人硬件平台由两台IPC、一个伺服器、三个PWM放大器组成。传感器是机器人的五官,是机器人具有自主能力的重要前提。机器人系统共有超声、激光、增量编码器。超声传感器用来探测周围2米内的障碍物信息。激光传感器结合路标用来提供机器人在工作环境中的位置。超声和激光传感器的信号通过计算机实时处理形成位置和障碍物的信息,通过并行口将信息发给控制器。每个电机装有增量式编码器,实现轴空间的位置闭环控制。CPU214作为下位机的控制核心,存储和运行控制程序,与上位机及扩展模块之间的通讯和控制驱动轮的速度。将变频器的参数设定为高速、中速、低速,并且具有正反转、启动和停车功能,防止在鞋面上失控和频繁紧急启动和停车对系统的损坏。

依据下位机主程序的流程,下位机控制分为四部分:初始化模块、解析模块、控制模块、通信模块。各部分负责各自的任务,当主程序运行到某一部分时,只要将相应的子程序调用即可。

(1)初始化模块

系统初始化是指系统启动后调用的首个程序模块,在PLC上电后清空存在的机器人信息。为了防止各个模块在刚执行程序或首次调用模块参数时由于前一次参数未清除引起电机转动错误等问题,应该上电后就将每个程序模块参数清零。还要将定时器的计数寄存器清零,定义串口的波特率。

(2)解析模块

系统解析模块是对上位机发送到下位机的命令进行解析,得到上位机发送的控制指令。程序初始化完成后,定时器开始工作,等待上位机的控制命令字数据帧,程序函数进行控制命令字解析,用于系统的控制。

(3)控制模块

控制模块是下位机控制系统的核心。机器人的运动依赖于电机控制,机器人各种动作时利用控制器的电机控制程序实现。操作人员通过上位机监控机器人,无线接收模块将控制命令字发送给CPU,CPU按照指定的命令确定电机的转速,将电机控制命令转换为PWM信号传送给电机驱动芯片,电机驱动芯片驱动电机进行转动。

机器人控制器的设计是基于模块化体系出发的。将机器人的控制器、传感器、驱动器进行分解,形成标准的模块化功能构建。每个功能构件具有各自的功能,具有统一的总线接口,各功能构件之间按照机器人标准通信协议,通过总线通信;利用机器人对各个构件进行封装,形成一个抽象实体,向上层应用程序提供统一的访问接口。最后将构件组态成一个完整的机器人。机器人的软件和硬件被中间件隔离,形成相对独立的硬件和软件系统。硬件系统是传感器、执行器等组成。软件是控制算法和程序。

典型的机器人构件是由硬件、控制驱动接口、网络与总线通信接口、操作系统、软件中间件组成。软件中间件屏蔽了底层硬件和应用软件信息,实现不同功能构件的软件连接支持。系统的整个软件系统都是运行在机器人控制器上的,包括操作系统、中间件、应用程序等。机器人控制器不一定是一个独立的功能构件,有的机器人控制器可以连接许多外设。

(4)通信模块

通信模块负责下位机数据信息收发。设计移动机器人通信系统考虑几个因素:可靠性、实时性、能量效率、带宽。移动机器人的软件操作平台是基于Linux。面向机器人的控制编程软件是用.C++语言编写,源代码是开放的。机器人本体是服务器端,客户端与服务器端的连接实现使用的是基于TCP的socket编程。机器人本体不断将客户所需要的数据发送到客户端,客户根据编写的算法分析接收的数据,将移动机器人的运动控制指令送到机器人本体。移动机器人根据定义好的命令协议解析控制指令,让移动机器人按照控制指令运动。在实际的数据传输中,数据量较大,除了机器人的速度、角度、位置以外,还需要传送声呐传感器数据,为了保证数据传送的实时性,服务器端使用多线程编程。主线程实现服务器端的打开、监听、建立连接,以及命令帧的接收、解析、数据包的发送。设计的windows通信控制平台通过网卡接收移动机器人的速度、角度、位置、声呐信息等。机器人本体是一个两层结构:底层是嵌入式控制器,上层是Linux操作平台。移动机器人的数据由底层的嵌入式操作系统通过串行口每100毫秒向机器人的Linux平台传送一次。

5 结语

移动机器人关键技术的研究有两条技术路线:一条是按需牵引,技术驱动,结合工业发展的需求,开发柔性机器人。一条是从技术上模仿动物的功能,研究智能机器人。移动机器人走向实用和大众,必须解决运动系统、导航系统、精确感知能力。移动机器人的智能目标是自主性、适应性、交互性。自主性指机器人根据工作任务和环境变化,自己制定工作规划。适应性指机器人能适应复杂工作环境,不断识别和测量周围物体,理解索要执行的任务,做出正确判断及动作的能力。交互性是指机器人和环境、机器人和人、机器人和机器人之间信息的获取、处理和理解。

移动机器人涉及机械、自动控制原理、计算机、通信领域,是一个综合性研究课题。移动机器人一起独特的特点,在军事、工业、农业中获得广泛应用。随着科技进步,对移动机器人的运动轨迹的快速、精确、抗干扰能力要求越来越高。根据移动机器人能否在空间实现自由度,分为全方位和非全方位移动机器人。全方位移动机器人适合在工作空间有限的,对机器人机动性要求高的场合。

摘要：以智能控制系统核心,实现对障碍物测距及自主避障行走控制,不断采集环境信息作出决策的自主移动机器人的控制系统设计。

关键词：移动机器人,定位,自主运行

参考文献

[1]李荣华,褚金奎,王洪青,李庆瀛.机器人分层分布式控制系统设计与实现[J].微计算机信息,2008年,第32期:229-230.

[2]高智,朱丽,王舒扬,陈立岩.小型地面移动机器人控制系统设计[J].科技信息,2012年,第35期:37-41.

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[4]劳立辉.移动机器人控制系统[J].轻工机械.201 2年,第3期:50-53.57.

[5]周华龙,刘新杰,潘芸.智能控制在自主式移动机器人中的应用[J].江苏电器.2008年,第1期:20-22

机器人控制系统 篇2

关键词：工业机器人；开放式控制系统；实现方法；发展展望

伴随德国工业4.0与战略中国2025计划的提出，传统制造业也面临改革和升级，以机器为主导的自动化设备越来越受欢迎。制造业要求机器人更强的柔性与开发性，能够与工业生产中不同的设备通过总线或者以太网连接到同一网络平台，以形成一套综合控制系统。但是就目前的状况来看，不同厂家的机器人控制系统只遵循相关厂家的要求和标准，采用封闭的编程语言与控制器，用户在根据需求进行调整中遇到的困难是极大的，因此工业机器人开放式控制系统的研究成为了国内外科研机构研究的重点。

一、工业机器人控制系统

工业机器人控制系统以机器人为核心，机器人由机器人本体、控制系统、驱动以及传感器组成。由此可知，硬件和软件组成了工业机器人控制系统，它依据指令和传感器对机器人进行控制，促使其完成规定动作或任务。工业机器人控制系统主要由主控单元、执行机构以及检测单元组成。作为整个系统的核心，主控单元主要对机器人进行运动学的计算、运动规划以及插补计算等，将用户的运动控制指令传输到执行机构。由于工业机器人的所有动作指令均来源于控制系统，因此控制系统在很大程度上限制了工业机器人的开发性。

二、开放式机器人控制系统

现阶段来说，工业机器人控制系统的开发性还没有较为严格的定义，从IEEE对“开放”的官方定义来看，开放系统应满足系统的应用可以在不同的平台之间移植，与其他应用系统相互交互，为用户提供一致的交互方式[1]。对于开放式控制器来说，它应具有接口标准化、模块化的开放式结构，使得用户只要具备简单的机器人知识就可操作机器人，不必深入了解机器人的内部结构，以便在工序发生变化时用尽量少的时间和代价修改系统，以满足新的应用。

三、开放式控制系统的实现方法

1.开放式控制系统的硬件实现方法开放式控制系统硬件结构主要包括基于PC总线系统和VME总线系统，由于PC开放性强、软件环境开发优良、通讯功能良好及成本低廉，它成为了大部分机器人厂商机器人开放式控制系统的主要研究和开发对象。其硬件实现方法有以下四种：一是基于“PC+运动控制卡”，优势表现在对PC实时性要求低，具备开发性等，但是对运动控制卡要求较高，同时还需搭配DSP；基于“IPC+运动控制卡”，优势在于影响更为简单，整体也更为紧凑，在具有开发性的基础上还具有兼容性，与前者的区别在于更能缓解控制卡的数据处理压力，此种模式下工控机与运动控制卡有明确的分工；基于PLC的控制系统，在硬件连接方面十分简单，同时具有强大的联网功能，以实现对多机器人的监控；最后基于“通用PC+工业实时以太网”的控制系统，控制效率高，且可拓展性极强。2.开放式控制系统的软件实现方法就目前来说，在开放式控制系统的软件实现方面，大部分机构均是以硬件开放式架构为基础，利用开放式纯软件控制技术来实现的。纯软件控制技术多运行于工控机上Windows或Linux环境下，所有的运动控制运算与逻辑运算都由软件本身的内核完成，硬件仅仅负责I/O信号的传输[2]。此时便可选择高性能的伺候网络来构建伺候通讯平台，方便的接入多个机器人，以实现对多机器人的控制。

四、开放式控制系统的发展与展望

机器人控制系统 篇3

［关键词］CAN总线 现场总线 多机器人

近年来随着机器人研究的不断深入，机器人技术现已涉及到传感器技术、控制技术、信息处理技术、人工智能和网络通信技术等方面，其功能日益强大，结构日趋复杂和完善。多移动机器人的研究工作开始于80年代中期，特别是移动机器人间协调运动控制问题，凭借其工业的需求性和控制的复杂度，现已成为移动机器人方面的一个主要研究方向，在此方面的研究主要集中在多机器人运动描述方法、协调控制、抓取规划和避障等诸多方面。

随着现代工业技术的不断发展，现场总线技术使单个分散的现场设备通过总线连接成相互通信、协同操作的网络控制系统，实现分布式、开放式控制。在多焊接机器人的控制系统中，引入现场总线技术，可实现分布式控制，满足现代工业分布式控制的要求，便于对整个系统的监控。

一、多焊接机器人系统

焊接技术是一种极重要的金属热加工技术，焊接机器人是在工业机器人基础上发展起来的先进的焊接设备。焊接机器人应该能够满足不同的工作场所和焊接规范要求且能进行焊缝的自动跟踪、保护气、焊丝的自动补给。焊接机器人通常包括机器人本体、机器人控制柜、焊机系统及送丝单元、变位机、工装夹具等部件。多焊接机器人系统是近年来开始探索的一项新技术，多焊接机器人系统将整个作业按照操作和应用的要求，从功能、物理和时间上划分成多个部分，由具有一定自主能力的单焊接机器人来分别完成各部分的工作。各焊接机器人之间相互通信、彼此协调，共同完成整个复杂系统的操作任务。

本文的多焊接机器人系统控制器，硬件方面采用开放式的结构和模块化的设计方法，主要由人机界面、轨迹规划、协调控制等多个模块构成。人机界面可为用户提供操作系统和编程环境，便于实现机器人的编程控制，完成预期的任务。轨迹规划模块以时间周期的形式进行循环调用，根据传感模块反馈回来的信息，生成被控机器人的下一段运动轨迹。协调控制模块根据传感器反馈回来的信号，,对各机器人的工作状态进行局部修正,完成各机器人间的协调运动。由于控制器硬件方面采用分层和模块化结构，软件方面以实时多任务操作系统为平台，该操作系统主要完成编程、执行、系统检查、协调运动控制算法以及内嵌PLC功能，使机器人可对多个弧焊工作站进行协调运动。

二、CAN现场总线

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网络，凭借其自身所具有的高性能、高可靠性、易开发和低成本的特点[2]，现已成为全球广泛应用的现场总线技术之一。CAN现场总线最初用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。随着应用的不断展开，现在的应用范围已经面向到过程控制、机械制造、机器人和楼宇自动华等领域之中，并已成为国际标准。

1.CAN总线的概述

CAN采用双绞线作为信息传输媒介，网络终端阻抗一般取。最大直接通信距离由传输速率决定。若控制节点拥有惟一标识，每一单独的CAN网络可以链接2032个节点；一般由于硬件方面的限制，实际允许链接的控制节点数为110个。

CAN采用非破坏性总线仲裁技术，媒体访问按节点信息的优先级进行，以满足实时控制的不同需要。传输过程中，信息帧为短帧结构，采用短帧的突出优点是传输时间短，抗干扰性强；信息帧包含4种类型：数据帧、远程请求帧、出错校验帧和溢出帧。发送期间若丢失仲裁或者由于出错而遭到破坏的信息帧可自动重发。

2.基于CAN现场总线的控制系统

控制系统的体系结构如图所示。监控计算机主要进行编程、管理与监控等功能；机器人控制器完成机器人的运动规划、协调控制、伺服控制等功能；机器人控制器可直接控制具有标准脉冲接口的交流位置伺服节点，来实现交流电机的控制，也可通过D/A输出控制交流伺服电机。一个位置伺服模块可控制6路交流电机，可以通过增减该模块的数量来控制不同的机器人的运动轴数，从而实现对多个焊接机器人的协调控制。数据采集节点主要进行信息检测，将检测来的信息发送到控制器和执行控制节点上，其中包含焊接机器人工作所需的传感器信息，数据量较大。

控制系统的体系结构图

三、结束语

将CAN现场总线引入到多焊接机器人系统中，能够较好的利用CAN现场总线的高速、多主从结构和较好的抗干扰能力，非常适合用于多机器人协调控制，并且与同类技术相比，成本较低，比较适合工业应用，因此可以预见在工业机器人领域中具有较好的发展前景。

参考文献:

[1]冯金光周华平:CAN总线在仿人机器人运动控制系统中的应用[J].广东自动化与信息工程,2004(2）:10～12

[2]饶运涛周振军郑勇芸:现场总线CAN原理及应用技术[M].北京航空航天大学出版社,2003

[3]祁永庆董秀林董伟亮:基于CAN总线的PLC在车辆多任务协同控制中的应用[J].工程机械,2003(2）:1～3

码垛机器人控制系统设计 篇4

随着我国机器人技术的不断发展和工业生产效率的不断提高,码垛机器人在生产中的应用越来越普遍。码垛机器人按照一定的规律将一件件的产品码垛成堆,以方便物料的装卸、存储和运输,从而提高工业生产的效率,降低企业的生产成本,进而提高产品的竞争力。随着生产规模的不断加大和产品的多样化程度不断提高,对码垛机器人的柔性和可靠性提出了越来越高的要求,而这些性能的提高主要取决于码垛机器人的控制系统。针对这样的生产需求和技术现状,本文将主要研究码垛机器人控制系统的开发。

1 码垛机器人的结构组成及工作原理

本文设计的是四自由度的关节式码垛机器人,主要由四个旋转关节组成,分别实现腰部旋转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕旋转四种运动,且各关节的运动都采用交流伺服电机驱动。大臂和小臂的俯仰关节主要由伺服电机、减速器、带轮、齿轮带、滑块、托板、水平导轨和滚珠丝杠组成。腰部旋转关节主要由伺服电机、减速器、空心轴、机架、法兰等组成。腕部旋转关节主要由伺服电机、减速器、手爪、气缸、导轨、电磁阀等组成。

下面介绍四自由度关节式码垛机器人的工作原理。伺服电机通过减速器控制同步带轮和减速器旋转,进而带动滚珠丝杠转动,带动滑块和托板动作,最后实现大臂和小臂的俯仰运动。腰部的伺服电机通过减速器控制空心轴旋转,进而带动机架运动,最后实现腰部旋转。腕部的伺服电机通过减速器驱动手爪连接盘转动,进而实现腕部的旋转。物品的抓取通过手爪完成,手爪由气缸驱动,最终完成手爪的加紧动作。

2 码垛机器人控制系统的整体控制方案

制定控制方案首先要明确码垛机器人控制系统的功能需求。第一,码垛机器人控制系统要有自动复位功能,防止当系统断电或发生故障时堆垛和抓取的参考点丢失。第二,一台码垛机器人要能够抓取多条生产线上的产品,堆成一个垛,以提高生产效率,防止一条生产线两次码垛作业之间的等待时间过长。第三,具有多产品、多垛型的堆垛能力,能够适应不同产品和不同堆垛要求的堆垛作业任务。第四,离线编程功能,传统的示教编程方式虽然可以能够完成码垛,但是存在编程和生产作业不能同时进行、无法完成复杂运动轨迹的示教、对人体有害环境中的示教危害健康等缺点。第五,具备故障自诊断功能,能够将诊断信息通过友好的人机界面告知用户,以提高码垛机器人的故障排除效率。

其次,制定控制方案要明确码垛机器人控制系统的技术要求。首先要确定码垛产品的重量、尺寸等信息,其次要确定一定负载下码垛机器人每小时的抓取次数,最后要确定垛型和一台码垛机器人对应的生产线数量。

最后,制定码垛机器人的控制方案。当前,比较主流的码垛机器人控制方案有两种:一种是基于可编程控制器的控制系统,另一种是基于计算机的控制系统。基于PLC的码垛控制系统可靠性好、编程简单,PLC能够远程控制码垛设备的运转。但是,这种系统对不同码垛任务的适应能力较差,基于组态软件的人机交互方式对复杂任务的处理能力较差。基于PC的码垛控制系统有效避免了基于可编程控制器控制系统的缺点。这种控制系统的上位机使用工控机开发,在计算机上处理复杂算法,码垛机器人的运动轨迹的规划和伺服电机的动作都通过运动控制器控制,故码垛控制系统的柔性较高,下位控制可靠。但是,这种控制方式难以编程,也不能实现离线编程和实时控制。本设计采用的控制方案是在以上两种控制方案的基础上改进得到的。以PLC控制流水线运动和输入输出接口,人机界面采用HMI制作并使用触摸屏,使用运动控制器完成轨迹规划;上位机程序基于Windows平台,用工控机实现复杂的算法,采用适用于多条生产线的多任务处理系统,具备优异的抗干扰能力。

3 码垛机器人控制系统的硬件设计

由上文所述的关节式码垛机器人的工作原理,决定在控制箱中集成安装工控机和可编程控制器。触摸屏和显示器通过通信接口连接工控机,用于控制电机的PCI Trio控制器集成在工控机中,用PLC接收外部信号并控制工控机。码垛机器人控制系统的硬件设计包括PLC选型、主控电路设计、驱动电路设计和人机交互界面设计。其中,PLC主要用来扩展模块和控制电机运动。本文采用欧姆龙的PLC,输入输出点数分别为24点和16点,程序和数据的存储空间分别为20KB和32KB,通信接口为两个串口,编程通过1个通用串行总线完成。根据控制系统的功能需求和技术要求,本文选用的工控机配备了2个显卡、2个串口、1个PCI插槽、1个网卡和1个USB接口,能够在工业环境中可靠运行。

运动控制器选用Trio公司生产的Trio数字运动控制器,能够满足四自由度的控制要求,能完成直线插补、圆弧插补、螺旋线插补等多种插补算法,能够通过RS232、RS485、CAN、Modbus和通用伺服电机等多类型的接口通信,拥有多任务、模块化的编程能力,内置输入输出接口的数量分别为16个和8个。除了以上提到的通信接口外,还配备了一个用于连接光纤设备的TTL通道,具备控制任意4个步进电机或伺服电机的控制能力。人机界面采用直观、方便的触摸屏,用于用户和机器之间的沟通,具备实时显示、自动记录、报警记录、生成报表等功能。触摸屏由传感器、控制单元、驱动软件等组成,用于检测用户输入的信息。控制单元用于将用户输入的信息转换为数字信号,驱动软件用于实现应用软件和传感器之间的信息交流。

4 码垛机器人控制系统的软件设计

基于码垛机器人控制系统的工作原理和硬件设计,采用模块化方式设计码垛机器人的控制软件。控制系统的软件设计首先要选取适当的软件开发环境和开发语言。本设计基于Visual C++集成开发环境,采用面向对象的C#为上位开发语言,系统文件均采用xml格式。控制系统采用模块化设计,每个模块实现一个功能,各个模块配合完成码垛机器人的码垛功能。本设计将控制系统划分为离线编程模块、仿真模块和控制器模块。其中,离线编程模块进一步划分为设置、自动计算等模块。各模块的设计要遵循尺寸合理性原则、功能合理性原则、环境相合性原则、系统优化性原则,以达到人机工程学的理论要求,设计出良好的人机交互界面。

下面分别介绍各个软件功能模块的设计。为防止系统断电、停机或发生故障时丢掉原点信息,系统开机时系统自动进入原点复位界面,依次对码垛机器人抓手、上下轴、机身等进行复位,直到复位成功。原点复位模块用于实现原点复位功能。码垛机器人需对不同的垛型都能进行码垛。垛型信息输入模块自动确定码垛时物件堆放到托盘上的次序和位置信息,完成相应垛型的码垛。用户坐标系设定模块用于将托盘坐标系中的数据信息转换成大地坐标系中的数据信息。设置模块在离线编程开始时,设置系统参数、码垛参数、运行参数。码垛参数有产品代码、产品尺寸、托盘尺寸以及垛型、层数等,运行参数指定程序开始运行的点和运行速度。

5 结论与展望

码垛机器人是综合应用机电一体化技术的自动化装备,能有效提高工业生产、物流运输等的效率,应用前景十分广泛。本文介绍了码垛机器人的组成结构和工作原理,讨论了码垛机器人控制系统的硬件设计和软件设计,对码垛机器人控制系统的开发具有一定的参考价值。

参考文献

[1]陈黎明.码垛机器人控制系统设计[D].上海:上海交通大学,2010.

[2]李成伟,朱秀丽,贠超.码垛机器人机构设计与控制系统研究[J].机电工程,2008,(12):81-84,99.

机器人控制系统 篇5

摘要：在机器人手眼系统位置控制中，用CMAC神经网络建立了机器人非线性视觉映射关系模型，实现了图像坐标到机器人坐标的变换。该模型采用了一种新的多维CMAC网络的处理方法――叠加处理法。实验，与BP网络相比，CMAC网络能以罗高的精度和较快的速度完成手眼系统的坐标变换。

关键词：CMAC神经网络 BP网络 叠加处理器 机器人手眼系统

近年来，在智能机器人领域，关于机器人手眼系统位置控制问题的研究受到越来越多的关注。在研究中发现存在这样一个问题，即如何以较高的精度和较快的速度实现机器人手眼系统位置控制，以使机器人能快速实现对目标物体的准确定位和自动抓取。这个问题也就是机器人手眼系统中非线性视觉映射关系模型的建模问题。采用精确的数学模型是机器人视觉系统传统的建模方法。但由于这类问题是高度的非线性问题，参数多且其间的相关性强，故这种方法理论上虽然精确，但是建模困难、计算量大，实时性差且没有容错能力和自学习能力，而神经网络作为一种智能信息处理的新技术，具有极强的非线性映射能力。因此采用神经网络的建模方法与传统的方法相比具有极大的优越性。

作者已经采用BP网络建立了机器人视觉系统的映射模型，并作了初步的研究和实验。结果发现，采用神经网络建立机器人视觉映射模型是一种有效的建模方法。但采用BP网络建立模型存在网络规模大、训练时间长、容易陷入局部最小解、定位精度较低等缺点。本文采用CMAC神经网络建立了机器人视觉系统的映射模型，取得了十分令人满意的效果。

1 CMAC神经网络简介

小脑模型关节控制器神经网络(Cerebellar Model Articulation Controller Neural Network，即CMAC神经网络)是Albus根据小脑的生物模型提出的一种人工神经网络。它学习速度快，具有局域泛化能力，能够克服BP网络容易陷入局部最小点的问题，且硬件易于实现。目前，CMAC神经网络被广泛应用于机器人控制、非线性函数映射、模式识别以及自适应控制等领域。

1.1 CMAC的.基本结构和原理

CMAC神经网络的模型结构原理图如图1所示。它本质上可看作是一种用于表示复杂非线性函数的查表结构。

图1中，S为n维输入矢量空间;A为联想记忆空间;Y是输出响应矢量。输入空间S中的每一矢量S(…，Si，…，Sj，…)被量化后送人存锗区A，每个输入变量Si激活存储区A中C个连续存储单元。网络输出yi为这C个对应单元中值(即权wi)的累加结果，对某一输入样本，总可通过调整权值达到期望输出值。由图1可以看出，每一输入样本对应于存储区A中的C个单元，当各样本分散存储在A中时，在S中比较靠近的那些样本就会在A中出现交叠现象，其输出值也比较相近，即这C个单元遵循“输入相邻，输出相近”的原则，这种现象被称为CMAC神经网络的局部泛化特性，C为泛化参数：C越大，对样本的映射关系影响越大，泛

智能自主及网络控制机器人管家 篇6

要做一个真正的机器人管家，就要用机器人实现管家所应当完成的任务，并且主人可以在其它地方通过管家的“眼睛”，了解家中的情况。所以，机器人就要有灵活不受限制的运动系统；对家中各种陈设的位置的判断力；对家中各种电器的控制；对温度、湿度的测量能力；能将采集到的信息上传至家中的电脑。如果主人不在家，还能够通过网络将信息输送至所需要的地方。这样机器人就可以自主地完成各种管家的工作，或者在主人的“指挥”下，料理各种家务。

硬件实现

1.硬件组成

我们为机器人制作了以下七个硬件模块：

（1）单片机控制模块 选用时下流行的美国Atmel公司的89C52芯片。它有内设的8K E2PROM，256 bytes 的RAM ， P0、P1、P2、P3 等四个端口，其中P0、P2为数据/地址双向多用端口。它还有3个定时器，T0、T1和T2。主振晶体为11.0592MHz，以利于通信波特率的精确设置。89C52中还内设8级中断控制系统，3级单向一次性可编程的加密内存，可以防止芯片内的程序被非法读写、拷贝等。

（2）运动模块 为了保证机器人运动灵活，行动准确、到位，系统误差小，我们选用了四相式 15V步进电机(分辨率 200步/周，频率响应0.1～300Hz，功率4W×2) 为两侧主动轮的驱动电机。机器人前后各有一个从动的万向轮，后万向轮加装减震弹簧。这种结构使机器人能在不太平坦的地面上正常行驶。通过单片机改变步进电机的激励电压频率，能够使机器人保持最佳的运行速度。由于机器人自身有一定的重量，在起步时需要克服最大静摩擦，所需力矩较大，而运行时则力矩较小，在运行程序中，加入了一个从起步到最高速的一个加速程序和一个停止时的减速程序，使机器人行走更平稳。

（3）超声测距模块 考虑到机器人工作的环境主要是在家中，机器人需要有自主运行中的避障和测距定位等功能。由于家庭环境中，一般的距离不会超过10m，选择了超声测距的方法。记录声波脉冲发射和接收到之间的时间间隔，再乘以声速，即为所要测量的距离。为了避免各超声传感器之间的相互干扰，没有提高超声的发射功率和接收灵敏度，使其测距范围为 0.1～8 m，完全可以满足在家中运行的需要。我们给机器人加装了四组这样的超声传感器，分别在左侧、前左、前、右侧。对于三个方向上接收到的数据，主要进行两方面的处理：其一是判断有无障碍物，进行自动避障；其二是根据测量的距离，可以自动绕房间一周（沿左墙或右墙），绘制出一张房间的二维地图。

（4）温度、湿度测量模块 温度和湿度的测量，利用A/D 转换器将传感器的模拟信号（电压），转换为数字信号，并通过单片机的8个I/O口，将8位二进制数传送给单片机，通过相应的数学模型进行运算，即为所测量到的摄氏温度和相对湿度。

（5）电器遥控集成模块 家中各种电器控制是通过智能可学习红外遥控器完成的。它可以自动记录家中各类电器遥控器所发射的红外线信号，并储存在flash 里，到时候需要控制什么电器，它就会发射出相应的红外线信号。在知道了家中的温度、湿度之后，可以控制家里的空调、取暖设备及控制微波炉、电饭煲等电器。

（6）图像采集模块 通过网络，实时传输图像是个在目前很复杂的问题。为了降低机器人的成本，使日后管家能够真正运用于人们生活之中，我们采用中科院微视电子公司的PCI视频采集卡，采集、压缩接收到的视频信号，利用提供的2次开发包（动态链接库）进行2次开发。为了提高网络的效率，能使图像更快地传输，并且能够保证图像的质量和实时性，我们将采集进来的视频信号，实时压缩成jpeg文件，通过网络将jpeg文件传输到客户端，并在客户端不断地刷新jpeg文件，形成一个比较连贯的图像传输系统。由于jpeg 文件只有十几KB，利用TCP/IP传输协议进行传输，所需的时间不长。每秒钟可传3~12帧。

（7）各种数据的传输模块 为了使机器人能够自由地在工作环境中不受限制地运行，不能拖着“尾巴”（电线）。我们给机器人加装了无线数据传输模块。数据传输模块有两个，一个用来完成单片机与上位机之间的信息交互，例如传送温度、湿度、超声测距值及各类命令；另一个数传模块则专门用来传输摄像头所拍摄到的视频信号，送到图像采集卡。其中信息数传模块的频率为800MHz，传输距离在空旷地区能达到1km。图像传输模块则有4个在1200MHz 左右的频点可供选择，传输距离在空旷地区能达到200m，可以满足在家中的使用要求。

2.硬件电路

（1）主板 主板电路如图1所示。P1.0端口为两个步进电机驱动模块提供激励电压频率，以改变步进电机的转速，P1.1、P1.2端口控制两个步进电机转动的方向（正/反转），这样在转弯时可以做到原地转弯并且效率较高。通过非门将单片机的控制信号与步进电机控制模块的信号调整同步。P1.5端口控制超声的发射，并同时启动INT0的定时器中断，一旦发出了超声波信号，直至接收返回信号，记录定时器在这一过程中所经过的时间t，再按照s=vt/2的公式算出距离。P1.3、P1.4端口用来选择测温或者测湿电路的启动。P0端口接A/D转换器，以获取由测温、测湿模块测量，并通过A/D转换器（ADC0809）转换得到的8位2进制数。P2端口用来控制智能可学习红外遥控器的8个按键。在串口通信方面，我们将单片机的串口数据通过MAX232芯片进行TTL/CMOS和RS-232电平之间的转换并将其连接至无线串口收发模块。

(2)超声波传感器 超声波传感器原理图如图2所示。其中图(2a)为超声波的发射电路，单片机通过enable（使能）端给出触发信号，发射端通过U1A和U1B两个运算放大器，组成一个振荡器，再通过U1C和U1D两个放大器输出（enable控制U1C的工作状态），驱动压电陶瓷换能器发出超声波；图(2b)为超声波的接收电路，前级由1个MC4558内的两个运算放大器构成前置放大器，后级通过反向器作为输出端的驱动。

（3）温度、湿度传感器 原理图如图3所示。将测温芯片LM35的电压数值通过OP07进行放大，输出给A/D转换器（ADC0809）的第一个输入端（In-0）。我们使用了一个现有的湿度传感器将其输出给ADC0809的第二个输入端（In-1）。ADC0809将接收到的电压值转换成8位二进制数，输出至单片机的P0端口。ADD-A和ADD-B分别对应单片机选择读取的温度和湿度数值的选择端口。

（4）智能可学习红外遥控器 如图4所示。将J2接收到的红外线信号，通过78P156单片机，将红外线信号储存至E2PROM（24C32）中。与单片机8个端口的连接中使用了光电耦合器，以起到模拟按键开关的作用。当单片机的端口发出指令时，通过光电耦合器短路相应的电路，起到了按键的效果。78P156单片机便会将相应位置上储存的红外线信号通过J1发射出去，实现智能可学习红外遥控。

软件部分

在软件方面，主要分为两大部分（软件流程图及源程序见本刊网站）：

1.单片机程序的编写 我们用C51语言编写，通过 keil 软件进行编译。主要分为三大部分。

自动行走 通过4组超声传感器，沿一侧墙壁自动将房间巡视一遍，并将所收到的数据通过串口通信，传送给上位机，以完成地图的自动绘制功能。

控制行走 通过串口通信接收上位机的指令，按照指令要求完成动作。指令分为数组型和字符串型两种。

智能可学习红外遥控器的学习 通过串口通信接收上位机的指令，并打开所选择的遥控器的按钮，以完成多功能遥控器的学习功能和对各种电器的操控。

2.上位机程序的编写 利用 Lab-windows/CVI（C语言）编写整套上位机的程序。整个程序共分为8个子程序。

服务端 建立起串口通信与单片机进行信息交互，利用TCP/IP建立起的网络信息交互平台，将单片机的数据传输到客户端。将PCI采集卡采集进来的图像信息转存成jpeg文件，利用TCP/IP服务协议的另一个端口传输给远端的图像接收程序。

客户端 接收服务端所发送的单片机的数据信息并进行运算，将温度、湿度、机器人在二维地图上所处的位置，直观地表现在程序界面上，并能将控制机器人自动行走、开关电器、巡视、拍照的命令信息发送各服务端，通过服务端，将命令转发给单片机。可以在地图上点击一个地点，根据现在所在的点，算出目标点的方向距离，发送给单片机，单片机旋转指定角度，运行到目标点，途中遇到障碍，按照地图绘制时的避障方法，避开障碍物。能够自动保存上一次的操作步骤，并可自动按上一次的操作重新进行巡逻工作。

图像采集 接收服务端传输过来的图像文件，在指定窗口中打开图像，并实时更新图像。

路线绘制 通过串口通信，制定一条机器人自动巡逻、定点拍照的路线，并储存为指定的文件，供客户端使用。

地图绘制 通过串口通信，将超声测距的数值记录下来，通过三角函数，转化为以0点为起始点的平面直角坐标系上的点，并进行相应的填充，绘制出房间的二维地图，供操作机器人在家中工作时参考。

遥控器学习程序 通过串口通信，学习家中遥控器的红外线信号。

机器人在实际生活中的应用前景

足球机器人自主控制系统设计 篇7

足球机器人性能取决于软件和硬件两个方面, 其中机构设计又是硬件中的重要部分, 它的设计具有现代机构学设计的特点。综合国内外先进的机器人设计技术和足球机器人国际比赛规则, 根据制定的设计指标, 采用新的设计手段和分析方法应用到机器人设计中具有重要的意义。

1 运动控制系统的设计要求

运动控制系统是整个足球机器人自主控制系统的基础, 足球机器人的一切动作最后都要由运动控制系统来执行, 因而从某种意义上说运动控制系统的控制质量对整个系统的控制效果有着决定性的影响。运动控制系统的设计要求如下。

(1) 运动控制系统必须具备电机驱动的功能, 控制的对象是全向移动机构的四个驱动电机, 因此系统应该有四个或者四个以上的独立的电机驱动单元。 (2) 足球机器人应有踢球机构, 运动控制系统应具有对踢球机构控制的功能, 实现足球机器人的射门、传球和防守。 (3) 辅助功能, 如电池电压检测功能。

2 足球机器人控制系统的硬件设计

2.1 处理器单元

(1) 处理器选型。在本系统设计过程中对Microchip, Intel, Atrnel, Motorola, TI和AD等公司生产的一些型号的处理器均做了对比。最终采用TI公司的数字信号处理器TMS320LF2407A该芯片是专门为工业控制和机器人控制设计的集成芯片, 其主要优点在于资源丰富, 运算速度快; (2) 双DSP架构。本文采用双DSP架构, 其中一个DSP芯片为主处理器, 另外一个DSP芯片为从处理器, 主从DSP分别处理两路的电机码盘信号和输出电机驱动信号。

DSP对时钟的要求是能持续稳定地输出没有毛刺的时钟, 利用DSP芯片内部提供的晶振电路, 在DSP芯片的引脚XTALI/CLKIN, XTALZ之间连接一个晶体和适当容量的电容内部振荡器就可以工作, 生时钟信号。晶体为普通无源晶振, 与芯片内部电路组成并联谐振电路。这种形式的振荡电路受温度和芯片工作电压的影响。TMS320LF2407A的运行速度最大可以达到40MHz, DSP控制器的时钟。

2.2 电机驱动单元

为了控制直流电动机, 需用半导体功率器件进行驱动。本文采用H型单极可逆PWM驱动系统。它由四个开关管和4个续流二极管组成, 单电源供电。

2.3 足球机器人挑球机构设计

足球机器人的能根据场上的形势, 选择合适力度的踢球, 这使得足球机器人在射门、传球中更能掌握优势, 更加智能化。所以挑球力度控制电路是运动控制系统必须具备的功能。控制电路采用电子开关控制挑球力度。电磁铁瞬时工作电流可达30A, 工作电压是410V, 因此控制电路采用工作电流是100A, 耐压是1000v的大功率IGBT管做为电子开关。挑球控制电路图如图1所示。

根据实验测试数据, 挑球最高点为3.5米, 挑球点到落球点的最远距离可达7.3米。

2.4 电源单元

本设计采用24/7AH的铅酸电池, 铅酸电池具有可以大电流放电的特性, 可以保证机器人在比赛过程中能够频繁的启动、加速和高速运动。

电源单元设计的可靠性关系到整个机器人控制系统的稳定性。机器人运动控制系统中, 四个直流伺服电动机、射门机构升压电路是大功率负载, 而且直流电动机驱动电路和升压电路工作于开关状态, 会产生电源噪声, 所以必须对这些电源噪声进行处理, 才能保证DSP处理器等控制电路的正常、可靠工作。

3 足球机器人自主运动控制系统的软件流程

整个系统软件编程采用C语言, 程序采用模块化的方式进行编写。其实质是是在CCS开发环境中对DSP的编程。

4 结语

本文在对足球机器人运动控制系统作了较深入的研究基础上, 研制出基于双DSP架构的足球机器人运动控制系统。经过比赛实战, 证明了该系统具有高可靠性、硬件电路简洁、高可靠性等特点, 完全达到了全自主足球机器人的运动控制的要求。本文的创新点在于:研制出基于双DSP架构的全自主足球人运动控制系统, 该系统采用主从双DSP架构的方式共同处理全自主足球机器人底层硬件信息, 有效的解决了单个DSP或者单个控制芯片导致电路复杂, 电路可靠性降低, 系统处理速度不高, 实时性不强等缺点。实验证明, 本文研制的运动控制系统应用在基于全向移动平台的足球机器人上, 充分发挥了全向移动平台的优势, 使得机器人运动性能得到很大的提高。

参考文献

[1]王学慧, 柳林.足球机器人小车总体设计思想及其单片机选型[J].机器人技术与应用, 2001 (5) :10～14.

[2]刘和平, 王维俊, 江渝, 等.TMS32OLF2 4OXDSPC语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.

竞赛机器人驱动控制系统分析 篇8

1 驱动控制系统结构

由系统控制方案可知:驱动控制系统应该其有串口通信功能,能对左、右轮驱动电机的速度进行闭环控制,对驱动电机具有快速的起停控制能力,能监控一些传感器的数字、模拟量输入。根据这些功能要求,驱动控制系统应包含图1所示的电路单元:串行通信接口单元;左右轮电机驱动单元;电机测速单元;数字量接口单元;模拟量接口单元[2]。

2 驱动控制系统硬件组成

2.1 电机选择

电机作为机器入动力的来源是人们关心的问题。控制电路再精密、再准确,没有高效的电机,电路的性能也无法发挥。

选择性能优越的电机才能在高强度、高对抗的比赛中取得好成绩。目前用于驱动竞赛机器人的电机种类有很多,有有刷直流电机、无刷直流电机等。体现电机性能的参数为空载转数和力矩。有刷直流电机是最早出现的、能实现调速的电动机。长期以来,有刷直流电动机因其具有良好的线性调速特性及动态特性,简单高效的控制性能而一直占据着调速控制的统治地位。无刷直流电机控制虽然体积小,力矩大,但电路复杂,小型化比较困难,只作为系统升级时参考使用。本文采用德国faulhbaer公司生产的2224006SR有刷直流电机。该电机体积小,扭矩大,为大多数世界队伍所采用。配以9.7比率的行星减速箱,使扭矩更大。该电机同时配备了光电编码器IE2-512,电机主轴转动一周,编码器输出512个脉冲,且宽度仅为1mm.这些优点都为提高机器人的性能打下了基础。

2.2 电机测速单元

本文采用的直流电机内部集成了速度编码器,输出为两个相位相差90°的方波信号,因此电机测速电路的任务已不再是如何使焉传感器获得电机速度信息,而是如何对编码器输出信号进行精确测量,保证测量结果与实际转速有良好的线性对应关系。

增量编码盘是一种测量角位移增量的传感器,输出信号焘和B具有90°的相差。当A超前于B时,表明编码器中码盘是顺时针旋转的,反之,码盘为逆时针旋转。当增量编码盘的细分数为N时,它的每一个脉冲代表的角位移为360/N度。A、B信号的频率相同,频率大小反映当前电机速度,由这两个信号就可得到电机转向、转角和转速等数据。

TMS32F02812中包含两个事件管理器,每个事件管理器内又备自包含~个QEP,能够完成对一组编码器输斑信号解码。利用TMS320F2812本身提供的QEP对编码器进行解码,一片DSP就能对两个电机进行闭环控制。文献H钉提出采用现有的鳃码芯片进行速度解码,如HCTL2020,82C54等,此种方法工作稳定,却会增加电路设计的复杂程度。原因有三点:(1)读写信号和片选信号与DSP连接较复杂,需要附加芯片实现组合逻辑;(2)DSP在访问蒙82C54这样的慢速器件时,要用READY信号产生若干等待状态;(3)TMS320F2812数据引脚分布比较分散。本文在提出利用CPLD进行编码器解码思想酶基础上,提出基于FPGA硬件解码器的解码方案,虽然均是利用大规模可编程逻辑器件进行实现,但实现方法不同。

由于系统控制的电机转速较高,故采用测频方式测量编码器码盘输出的A、B信号。A、B信号频率相同,相位相差90°。可以根据A、B信号通过D触发器后的输出波形,判断是A超前B,还是B超前A,即判断电机转向。

测速电路中利用电机编码器的A相输入信号作为电机速度测量的计数脉冲,CNT_EN信号与CLK信号经过一系列的逻辑门之后,在CNT_EN信号变化后的第一次CLK脉冲到来时,产生与CLK脉冲同频率的脉冲信号LATCH与ACLR。当CNT_EN为低电平时,产生LATCH信号输如脉冲,控制74373将当前速度锁存到数据总线上。当CNL为高电平时,ACLR输出脉冲,计数器同步清零。将电机测速逻辑封装为one_speed_mod模块,该模块完成了电机速度检测的基本功能。CNT_EN为CLK信号频率的1/217,应调整CNT_EN的频率以保证该频率小于电机最大转速时编码器产生信号的频率。

两个one_speed_mod并联后,通过FPGA内部的74138控制各子模块使能,选择当前总线上的数据。为了精确测量,再配置计数器进行编码器脉冲数的测量,这样可以通过查询,得到当前电机转过角度。

以上的逻辑设计,完成了对电机的转速、转向、转角的检测,TM3S20F2812若以寻址方式读取各电机状态,还需对FPGA口线进行配置。在本文中,系统将分为DSP板和FPGA控制板两块主PCB电路板进行制作。为了减轻DSP板的布线复杂程度,充分利用FPGA口线可自由配置的优势,将DSP需要外接的RAM设置在FPGA控制板上,这样可以利用FPGA内部布线,完成DSP与外部存储单元的连接,并把DSP产生的PWM信号送给电机驱动芯片。在进行FPGA顶层电路设计时,应考虑FPGA口线类型。由于TMS320F2812需要对RAM完成读写操作,对速度检测模块完成读操作,因此FPGA与DSP、RAM之间的数据接口,设置为双向IO口。

2.3 行走电机驱动单元

半导体功率器件在对电动机的驱动过程中起着至关重要的作用,它对直流电动机电枢电压的控制和驱动方式可以分为线性放大驱动和开关驱动两种。

线性放大驱动方式是半导体功率器件工作在线性区,其优点是:控制原理简单,输出波动小,线性好,对临近电路干扰小;缺点是:功率器件工作在线性区会将大部分电功率用于产生热量,效率低,因此这种方式只适用于数瓦以下的微小功率直流电动机的驱动。绝大多数直流电机采用开关驱动方式,它是使半导体功率器件工作在开关状态,通过脉宽调制PwM来控制电动机的电枢电压,实现调速。

对于过流保护问题,由于直流电机在转动方向快速切换以及电机堵转的时候,会在电枢上产生较大的电流,有可能损坏电机,因而需要采取措施进行过流保护。本文选用MAX472来测量通过电机的电流。MAX472是一款在电源高端测电流的芯片。该电路允许测量的最大电流为5A,主回路电流I流经电阻Resnse时,在上面产生微小压降,这个压降经采样电阻RGI和RG2(RGI=RG2=RG)送入MAX472芯片,在芯片的8脚上会产生和电流1成正比的模拟电压。

2.4 串行通信单元

驱动控制系统和底层系统的通信要通过RS232串行通信实现。RS232标准采用了负逻辑信号电平,逻辑“1”的电平为-15V~-5V,逻辑“0”的电平为+5V~+15V。这种电平和TMS320F2812提供的逻辑电平不同,需要设计一个接口电路完成两种电平的转换。本文采用MAX232芯片来实现这一电路。

2.5 模拟量输入接口单元

驱动控制系统几乎保留了所有TMS230F2812的模拟资源,这些资源可以用来检测过流信号、超声波测距传感。器的输出信号。TMS230F2812的A/D转换输入信号最高电压为2.5V,蔼外部传感器的信号输入一般大于该电压值,因而设置了模拟量电压输入的接口电路。输入电压Vin首先经过一个电压跟随器,以确保其驱动能力,2.5V稳压管则确保输入DSP的模拟电压不会超过其允许的最大值。R2和Cl则构成一个髓滤波器,滤除模拟输入中的干扰量。

2.6 数字量接口单元

TMS230F2812 3.3V的逻辑电平,不同于TTL逻辑电路的5V逻辑电平,因而需要有电路完成这两种逻辑电平之闻的转换,我们剩用集电极开路芯片的特性来实现不同电平的转换。

从TTL逻辑电平到3.3V逻辑电平之间的转换电路,U1A为同相驱动器,其输出端口是集电极开路的,Vin为TTL逻辑电平输入。当Vin为高时,U1A的2脚为高阻状态,上拉电阻R1将让Vout上的电压拉为3.3V;当Vin为低时,U1A的2脚和地导通,Vout输出OV。电于3.3V比TTL高电平最低允许电压2V要高,所以本文认为:3.3V逻辑电平到TTL电平之间不需要再加入转换电路。

3 测试结果与分析

在上述所涉及的驱动控制系统为硬件平台的前提下,对驱动轮的速度进行了实验和分析。从给出了本设计方案中速度控制在突加大控制量情况下的响应曲线比较可以看出,加入编码器测速后,超调量明显减小,控制性能得到大大改善。表1反映了速度的控制效果。在初始速度为O时,分别突加40、60、80和100四个控制量(单位为r/s)的情况下,静态误差都被限制在2.5%以内,调节时间也比较短,取得了较好的控制效果,此性能可以满足竞赛机器人比赛的需求。

4 结语

根据竞赛机器人驱动控制系统的任务,对驱动电机进行了选择,然后给出了驱动控制系统的结构框图,再详细介绍了各个单元电路的原理和实现方式。从总体来看,本文研究的驱动控制系统具有如下特点:(1)结构合理。驱动控制系统的设计单元模块清晰,结构安排合理。控制电路和驱动电路各成系统,二者之间的接口定义合理。控制电路的设计也按功能、信号性质(数字或模拟信号)进行合理区分-降低了不同模块之间的相互干扰。(2)高集成度,驱动控制系统的设计采用了比较先进的高集成芯片EP1C3和SA60。前者是光电编码器的控制芯片,可以很好地控制编码器完成对驱动电机转速、转角和转向的检测,为机器入的运行提供可靠的保证;后者则是高集成高可靠的H桥驱动电路,具有体积小、功能强、控铡方便的特点。从整体上来讲,整个驱动控制系统的电路集成度高,结构清晰明了。

摘要：竞赛机器人融合机械设计、自动控制、人工智能、人机接口、机电一体化等多项技术,已成为机器人研究领域中的一个热点,本文主要对于竞赛机器人驱动控制系统设计进行探讨,主要在给出驱动控制系统结构框图的基础上,分析了驱动控制系统硬件组成,对于进一步深化竞赛机器人设计具有一定作用。

关键词：竞赛机器人,驱动控制系统,硬件组成

参考文献

[1]关浩,蓝健,杨博龙.气动竞赛机器人控制系统设计[J].液压与气动,2009,01.

码垛机器人控制系统应用与改造 篇9

一、硬件系统改进

1. 旧系统硬件系统

旧的码垛机器人控制系统运动控制节点板卡是多轴卡Ether MAC-4A1, 不需级联便能够实现多达4个电机的控制。

Ether MAC-4A1控制器功能参数:

(1) 基于工业以太网的多轴实时同步运动控制平台 (Ether-MAC) ;

(2) 控制轴数4轴, 联动轴数最多4轴, 可选一个轴作为主轴;

(3) 输入24点 (可扩展) , 输出6点 (可扩展) , 输入点可接手摇脉冲发生器;

(4) 支持伺服电机、步进电机, 支持开环和半闭环控制;

(5) 适合于3或4轴的自动化机械运动控制;

2. 新系统硬件系统

新系统选用以太网单轴接口小模块e-link, 使用了两个IO接口板和四个以太网单轴e-Link接口板, 其中e-Link接口板使用50针接口与伺服驱动器相连, 实现对驱动器的控制。

四个e-Link接口板按照水平运动、竖直运动、底座旋转、手爪旋转的顺序分别连接到伺服电机驱动器的CN1端口, 通过CN1端口的信号实现对伺服电机位置模式的控制。e-Link接口板的基本功能是接收计算机发出的控制指令并将指令转化为对电机的控制信号发送给伺服电机驱动器, 同时接收伺服电机驱动器返回的伺服电机上面的编码器的数值、机械手的限位状态和零位传感器返回的信号来判断机械手的工作状态。

两个IO接口板均为8入8出控制板, 用来接收托盘信号、入料信号、区域检测信号、复位信号等传感器的信号, 并且输出控制信号, 例如:控制气缸开合、报警等动作。两个IO接口板剩余的接口可以作为其他扩展信号的输入输出点, 同时在输入输出点不足的情况下亦可以增加IO接口板来扩展输入输出点。

E-Link标准伺服以太网控制系统是面向高性能同步实时以太网运动控制系统推出的最新产品, 该产品基于Ether MAC实时以太网技术, 保持了以往产品的优异性能, 控制器无需任何专有硬件, 无需实时操作系统, 高实时性、高同步性、高灵活性。

3. 新旧系统硬件比较

小模块e-link相比之前系统所用四轴板, 由于可以采用IO板级联, 组合更为灵活方便, 能满足更大量的输入输出信号处理。且e-link通讯实时性能方面也有了很大提高, 使得实时插补周期大幅缩短, 由原来的4ms降为1ms, 由此插补出的轨迹更为平滑流畅。

二、软件系统改进

新的软件系统的改进主要在以下几个方面:

1. 能够实现单条流水线下的多种码垛方式的控制和双流水线下两条流水线分别码垛的控制方式。并且在编写程序的过程中考虑对流水线个数的扩展, 能够轻易的添加新的流水线。

2. 建立两套坐标系:机械手坐标系和世界坐标系。根据机械手运动学正逆解使坐标系之间能够相互转化, 然后用于示教界面中的, 能够根据输入的世界坐标系中的信息计算出机械手坐标系下的码垛点。这样将机械结构模型引入到控制当中, 使得示教过程更为简单, 运动更为精确。

3. 用软实时操作系统Windows CE6.0替代了原来的非实时操作系统Windows Xp, 实时性能有了显著提高, 通讯周期由原有的4ms缩短为1ms。

4. 通过改进轨迹规划算法, 能够在负载50kg的情况下达到每小时600次以上的码垛效率, 机械手运动过程中运动轨迹更为流畅, 机械手稳定性更好, 重复定位精度更高。

三、性能试验

在机械手运行过程中, 对机械手的一个从流水线到码垛点的运动过程进行了测试, 测试结果如图1所示。其中, 四个轴均是按照S曲线进行规划并运动的, 整个运动过程各电机轴运动平稳、流畅, 获得了良好的效果。上下运动轴在整个运动过程中有两个运动, 分别是上升和下降过程。其他三个运动轴则分别只有一个运动过程。并且在运动过程中水平轴、底座旋转轴和手爪旋转轴三个运动是同步的, 同时启动并且同时停止。而上下轴则与其他三个轴的运动有很大的重叠。

机械手在单条流水线码垛的情况下能够达到实际700袋/小时的码垛效率, 而在双流水线码垛时, 工作效率可以达到600袋/小时。能够满足机械手的要求。

另外, 小模块可直接通过50pin的接头直安装在通用伺服驱动器上, 省去了控制线并节省安装空间, 减少连接环节, 显著提高可靠性和稳定性。

参考文献

[1]李金泉, 杨向东, 付铁.码垛机器人机械结构与控制系统设计[M].北京:北京理工大学出版社, 2011.

[2]黄文焕, 戚佳金等.五自由度码垛机器人控制系统设计[J].制造业自动化, 2008 (4) .

移动机器人控制系统设计与分析 篇10

遥控器端的发射模块PT2262通过异步串行方式发射信号, 移动机器人上的接收模块PT2272接收信号, 并送往单片机MSP430F149进行处理。程序通过查询方式判断相应端口的高低电平信号, 以调用相应模块的程序, 并通过锁相环CD4046和电机驱动芯片KA3082驱动直流电机, 实现设定的运动。光电码盘以脉冲形式把移动机器人的实际运行速度反馈到锁相环比较信号的输入端和定时器A的捕获寄存器, 以达到对速度的精确控制。总电源通过低压差线性稳压器MAX603和低漏电调整器TPS77133进行电平转换, 以给不同模块提供电压。

1、红外遥控模块

红外遥控模块主要由PT2262发射模块和PT2272接收模块组成。按键体功能可设定为如图2所示。

其中, 按下D键后, 通过按A键可以增加设定速度, 按B键可以减小设定速度, 速度设定完成后, 按C键确认返回。设置移动机器人停止功能键的目的:当周围环境发生大的变化或移动机器人避障功能失败时, 避免移动机器人与障碍物发生碰撞, 对机械本体造成损坏。

2、速度控制模块

直流电机本身不带有反馈装置, 只在驱动轮的侧面安装印刷有黑白相间条纹的码盘, 每个码盘的条纹数为33。用光电检测装置对黑白条纹进行识别, 输出的方波脉冲信号作为反馈信号, 从而检测驱动轮转过的角度。以前对驱动轮的速度控制采用PWM方法, 实验证明用这种方法进行调速时效果不好, 遇到以下问题:

(1) 速度调节过程存在较大的延迟;

(2) 两驱动轮的速度很难达到一致性, 即使在走直线时也不容易走准, 在负载一定的情况下, 运动效果会由于地面状况、电池供电状况而发生较大波动;

(3) 在每个脉冲的上升沿和下降沿到来时都要对速度进行计算和PWM调整计算, 这个计算过程涉及到相当量的浮点数运算。

速度调节不准的主要原因有两个, 一是直流电机本身性能不高, 二是码盘精度不高。这种情况下, 直流电机的性能不及步进电机。考虑到上述因素, 本文提出用普通直流电机、减速器和低精度码盘来实现步进电机效果的方法。

但由于电机性能的限制和码盘精度的不高, 的均匀性不好, 为了提高机器人速度控制的精度, 本文利用Petri网建立机器人控制的事件驱动的双驱动轮同步控制模型

3、传感器模块

传感器涉及到光电码盘、光敏传感器、红外传感器和金属探测器。光电码盘可通过定时器TIMER_A的捕获模块对移动机器人的实际速度进行反馈。光敏传感器对于不同颜色的反射系数不同, 从而会产生强弱电流, 可以用来检测地面黑线。红外传感器可检测3个方向 (前、左和右) 的障碍物与移动机器人之间的距离。金属探测器主要用来检测地面铁片。

4、液晶显示模块

主要显示机器人的工作状态和运动信息。例如, 当前方红外传感器检测到障碍物时, 显示“前方有障碍物”;金属探测器检测到铁片, 显示“到达目的地, 任务完成!”等。

5、电源模块

移动机器人仿人智能控制的研究 篇11

摘 要：机器人的研究涉及很多方面，例如传感器技术、人工智能技术、控制理论和计算机技术等，并且制造出的机器人需要具备高准确性和高灵活性的移动能力，才能更好地为人们服务。现代的机器人的设计中普遍会运用到仿人智能控制算法，其通过开闭环控制和定量与定性结合的控制方式来实现机器人移动更快、更准确的特性。虽然我国近年来在移动机器人的研究方面已经取得了一定的成果，但是还不够完善，仍然存在着许多需要解决的问题。

关键词：移动机器人；仿人技术；智能控制；思考研究

研究移动机器人，就需要解决其在移动过程中的定位、导航、控制和路径规划这一系列的问题。在这之中传感器的功能就被体现了出来，通过传感器可以让机器人实时把握环境信息，并在之后通过信息的整合，找到一条最合理的路径规划。所以移动机器人不仅可以被看作是一种自主式智能系统，也是一种高度智能化的自动化机器。移动机器人的仿人智能控制研究目前已成为了一项热门研究。

一、研究的目的和意义

实现移动机器人的全智能化可以说是现在我们每个人所期待的事情。而就而目前的技术和科技发展水平来看，距实现移动机器人的全智能化仍需要一段时间。但是随着现今科技发展水平的不断提高，移动机器人的研究已经逐渐进入到了一个新阶段。移动机器人的智能化、信息处理技术和适应性已经越来越强，而且我们已经开始追求更高层次的机器人的研究。当然，机器人的研究过程中仍旧有着一系列的问题，其会很容易受到环境因素的影响，也存在例如参数误差和未建模动态等问题。所以我们目前亟待解决机器人系统的不确定问题和自主的决策路径问题，使它们变成高度智能化的智能机器人。

然而，虽然我们目前在机器人的研究过程中取得了一系列的成就，但是也越来越受到来自符号处理的压力，符号处理工作做不好，机器人就会遇到在知识表示和信息处理方面的问题，这就要求我们研究出一套智能的算法使得机器人能够有组织的进行自主学习。算法在早期主要体现为符号主义、进化算法和模拟退火算法等，随着研究的发展，目前已经发展成为了结合多门学科、信息和技术的智能算法，并已经被普遍的应用。

智能算法目前被分为三大趋势：首先是改进经典算法并对其进行进一步的理论和实验研究；其次是通过开发新型的智能工具，在扩宽其应用领域的同时寻找到其理论基础，使得新型的智能工具能够在这个瞬息万变的社会中立稳脚跟。最后就是一种混合智能算法，是通过传统算法和智能算法的结合得到的。面对当今不断涌现新算法的现象，我们需要尽快的进行理论研究并开发新型的智能工具。

二、移动机器人的系统架构

（一）移动机器人硬件系统架构

移动机器人的硬件系统主要由路径识别系统模块、电源模块、直流电机驱动模块、无线通讯模块和测速模块这六大模块所组成。其中路径识别系统模块是移动机器人路径跟踪控制中至关重要的一部分，它可以控制移动机器人行走的速度，就像我们人类离不开眼睛一样，移动机器人也离不开路径识别系统模块。其主要是通过红外检测的方法来帮助机器人进行道路规划，红外接收管会通过区分不同程度的红外光来区分白天与黑夜，移动机器人的路径姿态和稳定性可以通过双排红外传感器来进一步确定。电源模块中每个模块需要的电压是不同的，例如单片机系统和传感器电路5V就够用，而舵机需要6V，针对这一特点，就需要利用开关电源调节器，它可以控制开关的导通和截止时间，从而不仅可以使工作中的热损失降低、提高了电源的利用率，还可以抗干扰、增强设备的稳定性。绝大多数的直流电机驱动都采用控制半导体功率器件工作在开关状态的开关驱动方式，再通过桥式驱动器可以实现多种输出控制、通讯功能和电平控制这些功能。无线通讯模块则主要负责的是移动机器人的行动状况的了解和反馈，及时的采集其在移动过程中的各种信息。而测速模块就是计算机器人的行驶速度，主要是通过检测红外收发对管在一定时间内输出高电平或者低电平的脉冲数来计算。

（二）移动机器人软件系统架构

移动机器人的软件系统主要经历初始化过程、数据采集和处理以及控制器设计这三种阶段。其中在初始化过程中，主要包括时钟初始化、PWM初始化、SCI串行口通信初始化、AD模块初始化和定时器模块这五部分。而采集的数据主要是两组AD转换之后的数据，但是这些数据很可能在传输的过程中受到外界环境的干扰而造成每个传感器的电压值显示不同，所以就需要我们对这些数据进行处理来排除偏离的数据使得数据能够一致。最后就可以进行控制器设计这一部分了，控制器在设计的时候要考虑到整理过后的数据，并且找到最适合移动机器人的速度和转角控制策略进而正确的控制机器人的自主移动。

三、 移动机器人在机械生产中的应用

（一）移动机器人在机械生产过程中的智能监控

在进行机械生产过程中，需要对各个环节的生产进行智能监督，例如炼油、轧钢、材料加工、核反应等，在其机械生产过程中经常会出现一系列的问题，影响了生产的正常运行，加强对机械生产过程的监控以确保机械性能的可靠性。为了提高机械性能的精度，以提高产品的稳定性和质量，以保证机械生产流程的顺利进行。例如轧钢机的神经控制、旋转水泥窑的模糊控制、分级智能材料处理、分布式材料加工系统、工业锅炉的递阶智能控制、智能pH值过程控制以及基于知识的核反器控制等，这样一来可以保证机械生产的整体效率。

（二）移动机器人在飞行器中的智能控制

移动机器人的智能控制在飞行过程得到了广泛的应用。大部分商用飞机都配备了可供选择的自动降落系统。基于神经网络的飞行器可以对紊流和其他非线性流进行有效的控制。此外，神经网络还可以对未识别线性或非线性关系进行有效的处理，而这些关系均是驾驶员能够运用的。在原则上移动机器人智能控制能够从一个大的变量集合转化为另一个变量集合，如从传感器参量转化到控制动作或操作模式的映射。上世纪80年代以来， 移动机器人智能控制在飞行器中得到了广泛的应用，大大提高了飞行器的安全性和运行效率。

参考文献：

[1] 陈情，薛方正.工业机器人的仿人智能控制[J].重庆理工大学学报：自然科学，2012，26（7）：42-49.

[2]李楠，陈韶飞，薛方正，等.用 IGA 优化的直流电机的仿人智能控制[J].计算机工程与应用，2011，47（14）：226-229.

机器人控制系统 篇12

球面SCARA机器人是一种由3个自由度组成的平面关节型机器人。由于体积小, 传动原理简单, 被广泛运用于家用电器行业, 精密机械行业等领域。

需要设计的球面SCARA机器人具有3个自由度:1) 大臂的水平旋转运动;2) 小臂的垂直回转运动;3) 顶针的垂直上下运动。对于三自由度轴的传动系统进行设计, 保证规定的动作范围、速度和精度。为了防止干涉, 第二轴的实际动作范围小于360°。

1 机器人控制要求

机器人手臂动作的控制要求有“正常运行”和“紧急停止”两种方式。

a) 正常运行。正常运行方式的具体控制要求如下:1) 机器人手臂处于任意状态时, 按下启动按钮系统开始工作, 机器人手臂位置复位;2) 对控制机器人手臂的3个电机进行正反转控制, 以达到顶针端部在球形工件表面定位的目的。在此过程中, 设有光电开关或微动开关对机器人手臂的运动加以限制或保护。

b) 紧急停止。关掉电源时, 系统立即停止。

2 控制方案的确定

由于驱动力矩不大, 运动速度和定位精度要求较高的特点, 采用步进电机驱动, 步进电机尺寸小、结构比较简单, 启动、停止、反转的改变可在少数脉冲里完成, 具有精确位移、精确定位无累积误差等特点。

可编程控制器 (PLC) 控制可靠, 抗干扰能力强, 易维护, 易扩展, 价格适中, 设计与施工简单方便, 能够满足机器人手臂动作的控制要求。所以总体方案选用PLC控制步进电机动作。

3 控制系统硬件和软件的设计

3.1 控制系统硬件的设计

控制系统由PLC控制器、3个步进电机驱动器、3个步进电机、4个感应式接近开关、2个微动开关和若干按钮组成 (图1) 。PLC控制系统原理图见图2所示。

3.2 控制系统软件的设计

a) PLC的选型:输入元件包括电机工作按钮、用于检测的限位开关等总计17个;输出元件包括控制步进电机运行的接触器线圈和指示灯共7个。

主机型号为:三菱FX2N-40MR。主机输出方式为晶体管输出, 具有高速运算能力、PID调节功能、同时可以输出两路脉冲控制两台电机的优点。具有:超高速的运算速度, 50%小型化设计, 程序容量:内置8KSTEPRAM, 最大可扩展模块进行扩展。输入和输出点数分别各为24和16, 输入输出点数总数为40, 尚有一定的输入/输出备用点, 可满足输入输出信号的数量要求, 以及备用量的要求。面板见图3所示。

b) I/O点的分配:机器人采用的日本三菱公司的FX2N系列PLC控制, 是一种按预先设定的程序进行外部设备控制的自动化装置。它的I/O资源的分配如表1所示:

c) 编写程序依据的流程图:机器人PLC控制程序编写所依据的流程图如图4所示。

d) 部分PLC程序:机器人复位PLC程序见图5。

4 结语

机器人控制系统设计完成后, 整个系统能够满足控制要求, 机器人运转平稳, 控制动作准确、可靠。

摘要：介绍了三菱PLC在球面SCARA机器人控制系统的应用, 并详细给出球面SCARA机器人控制系统的设计过程。

关键词：球面机器人,可编程控制器,步进电动机

参考文献

[1]吴振彪.机电综合设计指导[M].北京:中国人民大学出版社, 2000.

[2]周军, 海心.电气控制及PLC[M].北京:机械工业出版社, 2001.

[3]郁汉琪, 等.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].南京:东南大学出版社, 2003.