【正文】 基地 ，為我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī) 械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人 ——環(huán)境交互系 統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖 來(lái)表示。 感受系統(tǒng)由內(nèi)部傳感模塊和外部傳感模塊組成，用以獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有意義的信息。 控制系統(tǒng) 的任務(wù)是根據(jù)機(jī)器人 的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來(lái)的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)去完成規(guī)定的運(yùn)動(dòng)和功能。為了完全定位空間的物體，除了確定 物體上的所選點(diǎn)的位置外，還須確定 該物體的姿態(tài)。這時(shí)雖然可以任意地指定姿態(tài)，但只能沿 x 和 y 軸而不可能沿 z 軸給部件定位。操作 作者向遠(yuǎn)端機(jī)器人發(fā)出的指令既可以是低級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令，也可以是高級(jí)的任務(wù)級(jí)指令 。 首先，接收上位機(jī)命令 ， 監(jiān)視機(jī)器人狀態(tài)。工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 3 硬件設(shè)計(jì)與選型 MPS430 單片機(jī) 概述 MPS430 單片機(jī)系列概述 TI 公司的 MSP430 系列單片機(jī)是 一 種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成。 2)強(qiáng)大的處理能力 MSP430 系列單片機(jī)，為 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式 (7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址 )、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令 ；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理方法；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125us。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。 2)超低功耗： 活動(dòng)模式 280uA1Mz， ；待機(jī)模式 ；掉電模式 (RAM 數(shù)據(jù)保持 )。 9)可編程電壓檢測(cè)器。 通過(guò) CAN 總工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 線 ， 傳感器、控制器和執(zhí)行器由串行數(shù)據(jù)線連接起來(lái)。 圖 CAN 總線應(yīng)用系統(tǒng) 當(dāng)一個(gè)站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ， 該站的 CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己主機(jī) CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 節(jié)點(diǎn) 1 節(jié)點(diǎn) 2 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 節(jié)點(diǎn) 3 CANBus 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 的標(biāo)識(shí)符傳送給本站的 CAN 芯片 ， 并處于準(zhǔn)備狀態(tài) ； 當(dāng)它收到總線分配時(shí) ，轉(zhuǎn)為發(fā)送報(bào)文狀態(tài)。在幾個(gè)站同時(shí)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ， 要求快速地進(jìn)行總線分配。站 2 和站 3 報(bào)文的 6位相同 ， 直到第 7 位時(shí) ， 站 3 的報(bào)文才被丟失。這是實(shí)現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。數(shù)據(jù)場(chǎng)范圍為 0～ 8 個(gè)字節(jié) ， 其后有一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的循環(huán)冗余檢查 (CRC)。 CAN 協(xié)議可使用五種檢查錯(cuò)誤的方法 ， 其中前三種為基于報(bào)文內(nèi)容檢查。因此 ， 發(fā)送報(bào)文的站可以觀測(cè)總線電平并探測(cè)發(fā)送位和接收位的差異。這可以阻止其它站接收錯(cuò)誤的報(bào)文 ， 并保證網(wǎng)絡(luò)上報(bào)文的一致性。 CAN 的可靠性 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯(cuò)誤而對(duì)司機(jī)造成危險(xiǎn) ， 汽車的安全系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)傳輸具有較高的安全性。例如 ， CAN 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸率最大為 1Mbps， 如果數(shù)據(jù)傳輸能力僅使用50%， 那么對(duì)于一個(gè)工作壽命 4000 小時(shí)、平均報(bào)文長(zhǎng)度為 80 位的系統(tǒng) ， 所工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 傳送的數(shù)據(jù)總量為 91010。而且 CAN 節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能 ， 以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響 ，工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 從而保證不會(huì)出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中 ， 因個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題 ， 使得總線處于“死鎖 ”狀態(tài)。同時(shí) ， 由于 CAN 總線本身的特點(diǎn) ， 其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè) ， 而向自動(dòng)控制、航空航天、航海、過(guò)程工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、紡織機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、醫(yī)療器械及傳感器等領(lǐng)域發(fā)展。 “顯性 ”位以大于最小閥值的差分電壓表示，此時(shí) VCAN_H 的標(biāo)稱值為 ， VCAN_L 的標(biāo)稱值為 ， 如圖 所示。從物理結(jié)構(gòu)上看， CAN 節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖 所示。 通訊接口 所選元器件介紹 SJA1000 SJA1000(圖 )是 Philips 公司生 產(chǎn)的獨(dú)立 CAN 總線控制器 ， 它是早期的 PCA82C200 的替代產(chǎn)品。具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，高的輸入輸出隔離， LSTTL/TTL 兼容，高速 (典型為 10MBd)， 5mA 的極小輸入電流。 總線控制 工作原理 SJA1000 在電路中是一個(gè)總線接口芯片，通過(guò)它實(shí)現(xiàn) 從操作器、規(guī)劃器與控制器 之間的數(shù)據(jù)通信。RTR=0，為數(shù)據(jù)幀。 3)接收緩沖器 (RXB、 RXFIFO)：它是 CPU和接收濾波器之間的接口，用來(lái)存儲(chǔ)從 CAN總線接收并通 過(guò)了濾波的報(bào)文。 控制器 SJA1000 作為本接口電路中的控制部分，應(yīng)用本設(shè)計(jì)中，對(duì)于SJA1000 和單片機(jī)的連接，引腳 AD0~AD7 是和 MSP430 的輸出輸入腳～ ； SJA1000的片選信號(hào)腳 /CS必須由微控制器的 ，否則這個(gè)片選輸入必須接到 VSS， 也可以通過(guò)地址解碼控制 ， /INT 和單片機(jī)的 /INT0 連接。 6)位定時(shí)邏輯：它將 SJA1000同步于 CAN總線上的位流。 2)發(fā)送緩沖器：有 13字節(jié)長(zhǎng)。 格式信息內(nèi)容如下： FF RTR X X FF=1，本幀為標(biāo)準(zhǔn)幀； FF=0，本幀為擴(kuò)展幀。對(duì)于 CAN 控制器及帶有 CAN 總線接口的器件， 82C250 并不是必須使用的器件，因?yàn)槎鄶?shù) CAN 控制器均具有配置靈活的收發(fā) 接口并允許總線故障，只是驅(qū)動(dòng)能力一般只允許 20～30個(gè)節(jié)點(diǎn)連接在一條總線上。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 SJA1000 的主要特性如下 ： 1)管腳及電氣特性與獨(dú)立 CAN 總線控制器 PCA82C200 兼容 ； 2)軟件與 PCA82C200 兼容 (缺省為基本 CAN 模式 )； 3)擴(kuò)展接收緩沖器 (64 字節(jié) FIFO)； 4)支持 時(shí)支持 11 和 29 位標(biāo)識(shí)符； 5)位通訊速率為 1Mbits/s； 6)增強(qiáng) CAN 模式 (PeliCAN)； 7)采用 12MHz 時(shí)鐘頻率； 8)支持多種微處理器接口； 9)可編程 CAN 輸出驅(qū)動(dòng)配置； 10)工作溫度范圍為 40~+125℃ 。 3)CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層是其核心內(nèi)容，其中邏輯鏈路控制 (Logical Link control， LLC)完成過(guò)濾、過(guò)載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問(wèn)控制(Medium Access control， MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問(wèn)管理、錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。在沒(méi)有發(fā)送顯性位時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時(shí)，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，顯性位覆蓋隱性位，使總線處于顯性狀態(tài) [10]。 CAN_H 和CAN_L 表示 CAN 總線 收發(fā)器 與總線的兩接口引腳，信號(hào)是以兩線之間的“差分 ”電壓 Vdiff形式出現(xiàn)。由于其良好的性能及獨(dú)特的設(shè)計(jì) ， CAN 總線越來(lái)越受到人們 重視。 2)縮短了開發(fā)周期 CAN 總線通過(guò) CAN 收發(fā)器接口芯片 82C250 的兩個(gè)輸出端 CANH和 CANL 與物理總線相連 ， 而 CANH 端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài) ， CANL 端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。計(jì)算殘余錯(cuò)誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯(cuò)誤進(jìn)行分類 ， 并且數(shù)據(jù)傳輸路徑可由一模型描述。為此 ， CAN 協(xié)議提供一種將偶然錯(cuò)誤從永久錯(cuò)誤和局部站失敗中區(qū)別出來(lái)的辦法。 CAN 通過(guò)這種編碼規(guī)則檢查錯(cuò)誤 ， 如果在一幀報(bào)文中有 6 個(gè)相同位 ， CAN 就知道發(fā)生了錯(cuò)誤。 CAN 協(xié)議也可通過(guò)位檢查的方法探測(cè)錯(cuò)誤。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè) 不同于其它總線 ， CAN 協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。它還包括一個(gè)保留位 (ro)， 為將來(lái)擴(kuò)展使用。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時(shí)有很多優(yōu)點(diǎn) ， 因?yàn)榭偩€讀取的優(yōu)先級(jí)已被按順序放在每個(gè)報(bào)文中了 ， 這可以保證在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中較低的個(gè)體隱伏時(shí)間。如圖 所示 ， 當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí) ， 站 1 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 011111； 站2 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 0100110； 站 3 的報(bào)文標(biāo)識(shí)符為 0100111。它允許分布過(guò)程同步化 ，即總線上控制器需要測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí) ， 可由網(wǎng)上獲得 ， 而無(wú)須每個(gè)控制器都有自己獨(dú)立的傳感器。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識(shí)符是唯一的 ， 不可能有兩 個(gè)站發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的報(bào)文。因此 ， BOSCH 公司開發(fā)了 CAN 總線 (Controller Area Network)[8]， 并已取得國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織認(rèn)證 (ISO11898)， 其總線結(jié)構(gòu)可參照 ISO/OSI 參考模型。 8)2 個(gè)串行通信模塊 USART0/1，可軟件選擇 UART/SPI 模式。 MSP430F449 概述 MSP430F449 芯片 (圖 )是 MSP430 芯片中功能較多的一款 MCU。它們分別是以下一些 模塊的不同組合： 外圍?？撮T狗 (WDT) 定時(shí)器 A(TimerA) 定時(shí)器 B(TimerB) 比較器 串口 0、 1(USART0、 1) 硬件乘法器 液晶驅(qū)動(dòng)器 10 位 /12 位 ADC 14 位 ADC(ADCl4) 端口 0(P0) 端口 1~6(P1~P6) 基本定時(shí)器 (Basic Timer) 以上 外圍模塊 再 加 上多種存儲(chǔ)器方式就構(gòu)成了不同 型號(hào)的器件。 1)低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機(jī)，在 ~ 電壓、 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行。 (3) 反饋信號(hào)的采集與處理 利用光電編碼器輸出的信息， 經(jīng)過(guò)合理的處理，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等信息。 控制器的功能 及設(shè)計(jì)思路 控制器的功能 控制器的功能主要包括 用硬件實(shí)現(xiàn)智能控制算法 ， 同時(shí)完成任務(wù)的合理調(diào)度、實(shí)時(shí)控制和網(wǎng)絡(luò)功能，使控制器具有良好的穩(wěn)定性、較好自適應(yīng)性、高可靠性、快速性、高的跟蹤精度 [4]。 課題組總框架 本課題 組 是一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 由示教操作器、規(guī)劃器和嵌入式伺服控制器組成，總體框圖見 附錄一 。此時(shí)，機(jī)器人只能夾持物體做平行于坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)保持不變。 同樣，要確定一個(gè)剛體 (一個(gè)三維物體，而不是一個(gè)點(diǎn) )在空間的位置，首先需要在該剛體上選擇一個(gè)點(diǎn)應(yīng)指定該點(diǎn)的位置，因此需要三個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)確定該點(diǎn)的位置。 人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員與機(jī)器人控制并與機(jī)器人進(jìn)行聯(lián)系的裝置，例如，計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺(tái)，信息顯示板，危險(xiǎn)信號(hào)報(bào)警器等。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 2 設(shè)計(jì)概述 工業(yè)機(jī)器人的基本組成 工業(yè)機(jī)器人由三大部分六個(gè)子系統(tǒng)組成。幾年后，美國(guó)反而要從日本進(jìn)口機(jī)器人。 美國(guó)的機(jī)器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。隨后，工業(yè)機(jī)器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了 “機(jī)器人王國(guó) ”的美稱 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機(jī)器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動(dòng)機(jī)器人和機(jī)器人 的視覺(jué)和觸覺(jué)等技術(shù)就是典型的代表。該機(jī)器人的手臂可以繞底座回轉(zhuǎn)，沿垂直方向升降，也可以沿半徑方向伸縮。 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 全球機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r 1954 年，美國(guó)戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念 [2]，并 申請(qǐng)了專利。程序機(jī)器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進(jìn)行作業(yè)。工業(yè)機(jī)器人有搬運(yùn)、焊接、裝配、噴漆、檢查等機(jī)器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中 。通常機(jī)器人設(shè)計(jì)成由計(jì)算機(jī)或類似裝置來(lái)控制，機(jī)器人的動(dòng)作受計(jì)算機(jī)監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運(yùn)行某種類型的程序。 關(guān)鍵詞 ： 工業(yè)機(jī)器人 ； 控制器 ； 嵌入式 工學(xué)學(xué)士論文 摘要 ABSTRACT