【正文】 基地 ，為我國機器人產(chǎn)業(yè)的騰飛奠定了基礎(chǔ)。六個子系統(tǒng)是驅(qū)動系統(tǒng)、機 械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機器人 ——環(huán)境交互系 統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，可用圖 來表示。 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)機器人 的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構(gòu)去完成規(guī)定的運動和功能。為了完全定位空間的物體，除了確定 物體上的所選點的位置外，還須確定 該物體的姿態(tài)。這時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)端機器人發(fā)出的指令既可以是低級的運動指令，也可以是高級的任務(wù)級指令 。 首先，接收上位機命令 ， 監(jiān)視機器人狀態(tài)。工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 3 硬件設(shè)計與選型 MPS430 單片機 概述 MPS430 單片機系列概述 TI 公司的 MSP430 系列單片機是 一 種超低功耗的混合信號控制器，其中包括一系列器件，它們針對不同的應(yīng)用而由各種不同的模塊組成。 2)強大的處理能力 MSP430 系列單片機，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)存儲器都可參加多種運算；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)動下，指令周期為125us。 MSP430 系列單片機的這些片內(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： 活動模式 280uA1Mz， ；待機模式 ；掉電模式 (RAM 數(shù)據(jù)保持 )。 9)可編程電壓檢測器。 通過 CAN 總工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 線 ， 傳感器、控制器和執(zhí)行器由串行數(shù)據(jù)線連接起來。 圖 CAN 總線應(yīng)用系統(tǒng) 當(dāng)一個站要向其它站發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 該站的 CPU 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己主機 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 1 節(jié)點 2 CAN 收發(fā)器 CAN 控制器 節(jié)點 3 CANBus 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 的標(biāo)識符傳送給本站的 CAN 芯片 ， 并處于準(zhǔn)備狀態(tài) ； 當(dāng)它收到總線分配時 ，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 要求快速地進行總線分配。站 2 和站 3 報文的 6位相同 ， 直到第 7 位時 ， 站 3 的報文才被丟失。這是實現(xiàn)有較高可靠性的通信系統(tǒng)的唯一方法。數(shù)據(jù)場范圍為 0～ 8 個字節(jié) ， 其后有一個檢測數(shù)據(jù)錯誤的循環(huán)冗余檢查 (CRC)。 CAN 協(xié)議可使用五種檢查錯誤的方法 ， 其中前三種為基于報文內(nèi)容檢查。因此 ， 發(fā)送報文的站可以觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異。這可以阻止其它站接收錯誤的報文 ， 并保證網(wǎng)絡(luò)上報文的一致性。 CAN 的可靠性 為防止汽車在使用壽命期內(nèi)由于數(shù)據(jù)交換錯誤而對司機造成危險 ， 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%， 那么對于一個工作壽命 4000 小時、平均報文長度為 80 位的系統(tǒng) ， 所工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 傳送的數(shù)據(jù)總量為 91010。而且 CAN 節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能 ， 以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響 ，工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中 ， 因個別節(jié)點出現(xiàn)問題 ， 使得總線處于“死鎖 ”狀態(tài)。同時 ， 由于 CAN 總線本身的特點 ， 其應(yīng)用范圍目前已不再局限于汽車行業(yè) ， 而向自動控制、航空航天、航海、過程工業(yè)、機械工業(yè)、紡織機械、農(nóng)用機械、機器人、數(shù)控機床、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 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 在電路中是一個總線接口芯片，通過它實現(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，用來存儲從 CAN總線接收并通 過了濾波的報文。 控制器 SJA1000 作為本接口電路中的控制部分，應(yīng)用本設(shè)計中，對于SJA1000 和單片機的連接，引腳 AD0~AD7 是和 MSP430 的輸出輸入腳～ ； SJA1000的片選信號腳 /CS必須由微控制器的 ，否則這個片選輸入必須接到 VSS， 也可以通過地址解碼控制 ， /INT 和單片機的 /INT0 連接。 6)位定時邏輯：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。 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，本幀為擴展幀。對于 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，因為多數(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)動能力一般只允許 20～30個節(jié)點連接在一條總線上。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 SJA1000 的主要特性如下 ： 1)管腳及電氣特性與獨立 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)擴展接收緩沖器 (64 字節(jié) FIFO)； 4)支持 時支持 11 和 29 位標(biāo)識符； 5)位通訊速率為 1Mbits/s； 6)增強 CAN 模式 (PeliCAN)； 7)采用 12MHz 時鐘頻率； 8)支持多種微處理器接口； 9)可編程 CAN 輸出驅(qū)動配置； 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)完成過濾、過載通知和管理恢復(fù)等功能，媒體訪問控制(Medium Access control， MAC)子層完成數(shù)據(jù)打包 /解包、幀編碼、媒體訪問管理、錯誤檢測、錯誤信令、應(yīng)答、串并轉(zhuǎn)換等功能。在沒有發(fā)送顯性位時，總線處于隱性狀態(tài)，空閑時，總線處于隱性狀態(tài)；當(dāng)有一個或多個節(jié)點發(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特的設(shè)計 ， CAN 總線越來越受到人們 重視。 2)縮短了開發(fā)周期 CAN 總線通過 CAN 收發(fā)器接口芯片 82C250 的兩個輸出端 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)。計算殘余錯誤概率要求能夠?qū)?shù)據(jù)錯誤進行分類 ， 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誤從永久錯誤和局部站失敗中區(qū)別出來的辦法。 CAN 通過這種編碼規(guī)則檢查錯誤 ， 如果在一幀報文中有 6 個相同位 ， CAN 就知道發(fā)生了錯誤。 CAN 協(xié)議也可通過位檢查的方法探測錯誤。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計與選型 數(shù)據(jù)錯誤檢測 不同于其它總線 ， CAN 協(xié)議不能使用應(yīng)答信息。它還包括一個保留位 (ro)， 為將來擴展使用。這種方法在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重時有很多優(yōu)點 ， 因為總線讀取的優(yōu)先級已被按順序放在每個報文中了 ， 這可以保證在實時系統(tǒng)中較低的個體隱伏時間。如圖 所示 ， 當(dāng)幾個站同時發(fā)送報文時 ， 站 1 的報文標(biāo)識符為 011111； 站2 的報文標(biāo)識符為 0100110； 站 3 的報文標(biāo)識符為 0100111。它允許分布過程同步化 ，即總線上控制器需要測量數(shù)據(jù)時 ， 可由網(wǎng)上獲得 ， 而無須每個控制器都有自己獨立的傳感器。在同一系統(tǒng)中標(biāo)識符是唯一的 ， 不可能有兩 個站發(fā)送具有相同標(biāo)識符的報文。因此 ， BOSCH 公司開發(fā)了 CAN 總線 (Controller Area Network)[8]， 并已取得國際標(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： 外圍模看門狗 (WDT) 定時器 A(TimerA) 定時器 B(TimerB) 比較器 串口 0、 1(USART0、 1) 硬件乘法器 液晶驅(qū)動器 10 位 /12 位 ADC 14 位 ADC(ADCl4) 端口 0(P0) 端口 1~6(P1~P6) 基本定時器 (Basic Timer) 以上 外圍模塊 再 加 上多種存儲器方式就構(gòu)成了不同 型號的器件。 1)低電壓、超低功耗 MSP430 系列單片機，在 ~ 電壓、 1MHz 的時鐘條件下運行。 (3) 反饋信號的采集與處理 利用光電編碼器輸出的信息， 經(jīng)過合理的處理，得到電機的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速等信息。 控制器的功能 及設(shè)計思路 控制器的功能 控制器的功能主要包括 用硬件實現(xiàn)智能控制算法 ， 同時完成任務(wù)的合理調(diào)度、實時控制和網(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 是一個完整的工業(yè)機器人遙操作嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計，工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計概述 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，機器人只能夾持物體做平行于坐標(biāo)軸的運動，姿態(tài)保持不變。 同樣，要確定一個剛體 (一個三維物體，而不是一個點 )在空間的位置，首先需要在該剛體上選擇一個點應(yīng)指定該點的位置，因此需要三個數(shù)據(jù)來確定該點的位置。 人機交互系統(tǒng)是使操作人員與機器人控制并與機器人進行聯(lián)系的裝置，例如，計算機的標(biāo)準(zhǔn)終端，指令控制臺，信息顯示板，危險信號報警器等。手臂一般由上臂、下臂和手腕組成。工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計概述 2 設(shè)計概述 工業(yè)機器人的基本組成 工業(yè)機器人由三大部分六個子系統(tǒng)組成。幾年后，美國反而要從日本進口機器人。 美國的機器人技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先水平。隨后，工業(yè)機器人在日本得到了巨大發(fā)展，日本也因此而贏得了 “機器人王國 ”的美稱 隨著計算機技術(shù)和人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，使機器人在功能和技術(shù)層次上有了很大的提高，移動機器人和機器人 的視覺和觸覺等技術(shù)就是典型的代表。該機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)機器人的發(fā)展 全球機器人的發(fā)展?fàn)顩r 1954 年，美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機器人的概念 [2]，并 申請了專利。程序機器人按預(yù)先給定的程序、條件、位置進行作業(yè)。工業(yè)機器人有搬運、焊接、裝配、噴漆、檢查等機器人，主要用于現(xiàn)代化的工廠和柔性加工系統(tǒng)中 。通常機器人設(shè)計成由計算機或類似裝置來控制，機器人的動作受計算機監(jiān)控的控制器所控制，該控制器本身也運行某種類型的程序。 關(guān)鍵詞 ： 工業(yè)機器人 ； 控制器 ； 嵌入式 工學(xué)學(xué)士論文 摘要 ABSTRACT