國產分揀機器人生產，基于仿人機器人的多功能通用型控制系統的設計
發布時間：2023-02-13 閱讀數： 243
商品詳情
一、引言
機器人研討是自動化范疇最龐大。最具挑戰性的課題，它集機器。電子。計算機。資料。傳感器。控制技術等多門學科于一體，是多學科高技術結果的集中體現。而仿人步行機器人技巧的研討更是處于機器人課題研討的前沿，它正在必然水平上代表了一個國度的高科技開展程度。運動控制系統是機器人控制技術的焦點，也是機器人研討范疇的關鍵技術之一，正在機器人節制中存在無足輕重的位置，是以，各研討機構皆把對機器人運動控制系統的研討作為首要任務。
舉措調和。存在必然智能。能實現無線及時行走曾經成為現今機器人開展的主題。跟著以電子計算機跟數字電子技巧為代表的古代高技術的不休開展，特殊是以DSP為代表的高速數字信號處理器跟大規模可編程邏輯器件的廣泛應用，機器人運動控制系統也從之前單一的布局跟簡略的功用向著結構化。標準化。模塊化跟高度集成化的標的目的開展，采取開放式體系結構曾經成為該技巧開展的一種必然趨勢。本文作者恰是適應這一趨向，計劃出一種多功能分布式仿人機器人運動控制系統。
兩、節制工具與要求
咱們以國防科技大學機電工程與自動化學院機器人教研室最新研制的新一代仿人步行機器人為研討工具。該機器人高約1.55m，重約65kg，利用電池供電，無需中接電源跟節制信號線，可以實現無纜行走，借可以實現人的腿部。手部跟頭部的一些根本舉措，曾經開端具有了人類的形狀特點。這臺新型仿人機器人一共存在36個自由度，此中上肢12個，下肢12個，頭部2個，手部10個；下肢各個樞紐有地位傳感器，足部有多維力/力矩傳感器；存在視覺傳感。語音控制系統和無線遙控模塊；全部控制系統。電源集成正在機器人本體上。為了使之真正存在“仿人”的特色，控制系統必需可能實現包羅運動節制與計劃。視覺感知處置懲罰。語音辨認跟別的情況感知在內的多種功用。此中，運動節制是全部控制系統的要害，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。效率高跟機載化。
各個模塊之間的毗鄰簡明，便于裝置跟保護。
控制器應存在優越的靜態相應跟追隨特性，穩態偏差跟靜態偏差校
紙箱物流分揀機器人自動分箱系統集成正在機器人本體上，電磁干擾較強，必需存在較強的抗干擾能力。
快遞自動分揀機器人設計各部門的數據交換必需及時無效跟精確靠得住。
三、動控制系統計劃
分揀機器人是哪個上市公司小型自動分揀機器人依據以上要求，咱們計劃了一種基于CAN現場總線的新型控制結構。全部控制系統采取集中管理分散控制的方法，依照控制系統的布局跟功用分別為三層：組織層。調和層。執行層。此中，組織層由機器人本體外的一臺工作站構成，次要擔任實現人機交互。無線通訊。語音。視覺和宏指令天生等功用，屬于智能節制領域，本文沒有做深入探討；調和層跟執行層皆集成正在機器人本體上，實現詳細的節制使命，屬于物理節制領域，是咱們平常意思上的控制系統，其詳細布局如圖3所示。
主控計算機模塊
主控計算機要求體積孝運算速率快，平常采取小板工業節制計算機，同時裝備液晶顯示器跟克己公用功用鍵盤，次要實現在線運動計劃。舉措級運動節制。語音交互節制。視覺扶引節制和人機交互等功用。它接管當地傳感器的信息，依據必然的控制算法跟使命要求，及時天生樞紐軸系的使命計劃數據并經由過程數據傳輸總線送至各底層運動控制器。
通訊模塊
主控計算機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場總線，也是目前為止獨一有國際標準的現場總線。絕對于普通通訊總線，它的數據通信存在突出的可靠性。實時性跟靈活性。其特色次要有：
CAN總線為多主方法，收集上任一節點均可正在隨意率性時辰向別的節點發送數據。
CAN總線上的節點可以經由過程標識符分紅分歧的優先級，知足分歧的及時要求。
CAN總線采取非毀壞的總線仲裁技巧，低優先級節點沒有影響下優先級節點的發送。
CAN總線節點正在40m內通訊速度最高可達1MBPS。
CAN總線上的節點數在尺度幀格局下可到達110個，擴展幀格局下簡直沒有受限制。
報文采取短幀格局，傳輸工夫短，出錯率極低。
CAN總線通訊介質可選用雙絞線，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器人節制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機器人控制系統的通訊對象。詳細毗鄰方法為：主控計算機經由過程CAN總線接口卡毗鄰到總線上，各運動控制器也皆經由過程總線收發器掛接到總線上，并且可以依據實際環境增減數量。因為CAN總線只用兩根線停止通訊，大大降低了體系連線的復雜程度，同時加強了體系的可靠性能。
執行層模塊
執行層處于全部控制系統的最底層，由分歧類型的控制器構成，次要用來節制各運動樞紐軸系的詳細履行進程。因為各運動樞紐機電的型號分歧。承載的重量分歧，對控制精度的要求也分歧，咱們離別為之計劃了分歧的運動控制器。
①開環DSP運動控制器
頭部跟上肢背載重量較沉，是以采取開環DSP運動控制器去對頭部跟上肢各樞紐停止節制。這些控制器沒有須要采樣跟反應，間接吸收主控計算機發來的節制下令，然后天生響應的執行命令發給各樞紐軸系，使之轉到響應角度。
②開環MCU運動控制器
手部各個樞紐體積跟質量皆很小，故采取開環MCU運動控制器去停止節制。這些控制器采取MCS-51單片機作為處理器，可以間接嵌入到手掌內，它們吸收主控計算機的節制下令，應用其IO引腳發生須要的多路脈沖節制旌旗燈號，節制手部各樞紐的運動。
③閉環DSP運動控制器
腿部一切軸系均由直流減速驅動型機電組成，帶零位檢測。碼盤跟電位計反應和多維力/力矩傳感器，結構復雜。節制難度年夜。精度要求也下，故采取閉環DSP運動控制器。這部分是全部控制系統的要害，也是咱們研討的重點。
控制系統流程
全部控制系統的詳細流程為：體系開始運行并實現初始化事情；主控計算機依據計劃跟計較向底層控制器發送節制下令，底層控制器接收到下令后，聯合各傳感器反應的信息，經由過程必然的控制算法天生響應的執行命令并發送給各樞紐履行軸系，同時把底層軸系的運轉環境上傳給主控計算機，主控計算機依據新的環境再發生新的下令發送給各控制器，如斯重復。那事實上是兩個閉環反應進程，底層控制器經由過程傳感器與各樞紐軸系之間停止小輪回反應，主控計算機經由過程各控制器與各樞紐軸系之間停止年夜回路反應，如許可以使機器人存在更多的“智能”，更好的停止離線實時控制。
分揀機器人分揀系統設計主控計算機每秒鐘向底層控制器發送200組數據，底層控制器向主控計算機反應一樣數量的數據，而CAN總線的最大通訊速度可以到達幾千幀/秒，完整可以知足節制的要求。
四、控制器具體計劃
節制下肢的閉環DSP控制器是全部控制系統的焦點部門，負擔著全部機器人的背載重量，輸出功率年夜，對節制的精度要求也下，是以它的機能間接關聯到機器人運動的實現。咱們專門為之計劃了基于單地位傳感器的閉環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系列中的高級產物，十分合用于工業節制。它的兩個事宜管理器功用尤其壯大，完整是為機電節制計劃的，可應用多個PWM脈沖通道間接發生須要的PWM脈沖節制旌旗燈號；其CAN總線模塊可以間接與主控計算機停止通訊而沒有須要增長CAN總線控制器；內部看門狗可以對控制器電壓停止監控；內部存儲器中寄存著控制算法所需的需要參數。
控制器的單地位傳感器由電壓輸出傳感器跟光電碼盤傳感器構成。此中，電壓傳感器把軸系的地位信息轉換成電壓旌旗燈號，顛末縮小電路縮小，再顛末專門的A/D轉換器轉換成數字信號送入DSP主處理器。不消TMS320LF2407A自帶的A/D轉換器而利用專門的A/D轉換芯片，這是為了進步轉換的精度，由于TMS320LF2407A的A/D轉換器所能接管的最高轉換電壓只有3.3V，而顛末功率放大后的電壓遠遠超越了此規模，以是利用了專門的A/D轉換芯片。這部分電路雖然增長了控制器的復雜程度，卻可以大大提高轉換精度，以是是非常值得的。碼盤傳感器把軸系的地位信息轉換成脈沖旌旗燈號，顛末光電斷絕器件斷絕后送入公用脈沖計數器，計數后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數器選用現今風行的CPLD器件，其壯大的功用對進步控制器的機能有很大的資助，同時借可以作為譯碼電路為主處理器供給譯碼功用。
主處理器經由過程對吸收到的傳感器旌旗燈號停止剖析跟計較之后發生響應的PWM脈沖節制旌旗燈號，顛末光電斷絕跟功率放大后送給底層軸系節制軸系的運轉。利用單傳感器可以大大提高反應的精度，兩路旌旗燈號可以同時思量，也可以一路為主，此外一路供給增補跟參考。
主處理器經由過程CAN總線與主控計算機停止通訊，吸收主控計算機的下令并把底層信息反饋給主控計算機，實現更高一級的反應節制。主處理器經由過程CAN總線收發器毗鄰到總線上，為進步精度，中央須要停止光電斷絕。
該控制器間接裝置正在仿人機器人的體內，每一個控制器可以同時節制6個樞紐軸系，全部下肢只須要兩個控制器便可以實現其運動節制。
五、論斷
咱們正在充足接收現今相關學科高技術結果的根底上，計劃出一套速率快。穩定性強。集成度下。布局靈巧。使用方便的仿人機器人運動控制系統。全部運動控制系統可間接嵌入到機器人本體內，以便正在實際運轉中美滿天實現劃定的節制使命。同時，該控制系統另有很強的擴展功用，可以便利天移植到別的近似的節制機構中來，是一種多功能通用型控制系統，存在廣漠的使用前景。
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