【正文】 初期，價(jià)格昂貴，適用性不強(qiáng)，所以發(fā)展緩慢。 日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過(guò)了 20 世紀(jì) 60 年代的搖籃期， 70 年代的實(shí)用化時(shí)期以及 80 年代的普及、提高期三個(gè)基本階段。 1968 年，日本川崎重工業(yè)公司與美國(guó) Unimation 公司締結(jié)國(guó)際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)Unimation 機(jī)器人。從此，日本進(jìn)入了開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)期。 1983年，美國(guó) 從日本進(jìn)口的機(jī)器人占美國(guó)總數(shù)的 78%。 目前我國(guó)機(jī)器人研究的主要內(nèi)容如下： 1)示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究 這些研究主要包括：關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化，通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)器人產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；弧焊機(jī)器人用激光視覺(jué)焊縫跟蹤裝置的開發(fā)；焊接機(jī)器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真；電 子行業(yè)用裝配機(jī)器人產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、系列化設(shè)計(jì)；批量生產(chǎn)機(jī)器人所需的專用制造、裝配、測(cè)試設(shè)備和工具的研究開發(fā)。 3)機(jī)器人化機(jī)械研究開發(fā) 這些研究開發(fā)主要包括：并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床 (VMT)與機(jī)器人化加工中心(RMC)開發(fā)研究；機(jī)器人化無(wú)人值守和具有自適應(yīng)能力的多機(jī)遙控操作的大型散料輸送設(shè)備。 5)多傳感器信息融合與配置技術(shù) 該技術(shù)主要包括：機(jī)器人的傳感器配置和融合技術(shù)在水泥生產(chǎn)過(guò)程控制和污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用；機(jī)電一體化智能傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用。三大部分是機(jī)械部分、傳感部分和 控制部分 [3]。 圖 機(jī)器人系統(tǒng)組成 六個(gè)子系統(tǒng)的作用分述如下： 1．驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 要使機(jī)器人運(yùn)行起來(lái)，需給各個(gè)關(guān)節(jié)即每個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度安置傳動(dòng)裝置，這就是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由基座、手臂、 末端操作器三大件組成 。若基座具備行人機(jī)交互系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng) 機(jī)器人 —— 環(huán)境交互系統(tǒng) 感受系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 走機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成行走機(jī)器人；若基座不具備行走及腰轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則構(gòu)成單機(jī)器人臂 (Single Robot Arm)。末端操作器是直接裝在手腕上的一個(gè)重要部件，它可 以 是二手指或多手指的手爪，也可以是噴漆槍、焊具等作業(yè)工具。智能傳感器的使用提高了機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性、適應(yīng)性和智能化的水準(zhǔn)。 ——環(huán)境交互系統(tǒng) 機(jī)器人 ——環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。當(dāng)然，也可以是多臺(tái)機(jī)器人、多臺(tái)機(jī)床或設(shè)備、 多個(gè)零件存儲(chǔ)裝置等集成為一個(gè)執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的功能單元。該系 統(tǒng)歸納起來(lái)分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。假如工業(yè)機(jī)器人不具備信息反饋特征，則為開環(huán)控制系統(tǒng)；若具備信息反饋特征，則為閉環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)控制運(yùn)動(dòng)的形式，控制系統(tǒng)可分為點(diǎn)位控制和軌跡控制。同樣地，如果考慮一個(gè)三自由度的三維裝置，在它的工作區(qū)內(nèi)可以將任意一點(diǎn)放到所期望的位置。然而，即使物體的位置已確定，仍有無(wú)數(shù)種方法來(lái)確定該物體的姿態(tài)。這就意味著需要六個(gè)數(shù)據(jù)才能完全確定剛體物體的位置和姿態(tài)。如果少 于六個(gè)自由度，機(jī)器人的能力將受到很大的限制。在這種情況下，不能指定機(jī)械手的姿態(tài)。再假設(shè)一個(gè)機(jī)器人有五個(gè)自由度，可以繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)，但只能沿 x 和 y 軸運(yùn)動(dòng)。 具有七個(gè)自由度的系統(tǒng)沒(méi)有唯一解。為了使控制器知道具體怎么做， 必須有附加的決策程序使機(jī)器人能夠從無(wú)數(shù)種方法中只選擇出一種。為此，計(jì)算機(jī)必須檢驗(yàn)所有的解，從中找出最短或最快的響應(yīng)并執(zhí)行之。 操作器是操作人員控制工業(yè)機(jī)器人的人際交互系統(tǒng)，在操作端，操作者通過(guò)操縱桿、鍵盤等人機(jī)交互設(shè)備發(fā)出命令， 一方面 這些控制命令通過(guò)通信環(huán)節(jié)送往遠(yuǎn)端的機(jī)器人系統(tǒng)，另一方面通過(guò) 總線 通信，現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息都可以反饋到操作端 。 規(guī)劃器主要負(fù)責(zé)路徑規(guī)劃，即根據(jù)作業(yè)任務(wù)確定實(shí)時(shí)計(jì)算和生成運(yùn)動(dòng)軌跡。在規(guī)劃中，不僅要規(guī)定機(jī)器人的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，而且要給出中間點(diǎn) (路徑點(diǎn) )的位姿及路徑點(diǎn)之間的時(shí)間分配，即給出兩個(gè)路徑點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。詳細(xì)信息見下一節(jié)?？刂破鞑捎玫膮?shù)自調(diào)整在線插值模糊控制算法可以實(shí)現(xiàn)誤差無(wú)限分檔和比例因子在線調(diào)整。然后，運(yùn)用矢量控制算法完成關(guān)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制并完成單關(guān)節(jié)的位置閉環(huán) ， 主控制器將關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移、角加速度等命令參數(shù)，每個(gè)伺服周期進(jìn)行一次位置、速度的檢查 ， 如果未達(dá)到指定的位置 ， 則繼續(xù)運(yùn)動(dòng)或者加速 ， 將要達(dá)到指定位置時(shí)會(huì)自動(dòng)的按照設(shè)定的加速度進(jìn)行減速 ， 完成關(guān)節(jié)空間的位置閉環(huán)控制。 工學(xué)學(xué)士論文 設(shè)計(jì)概述 控制器的設(shè)計(jì)思路 本課題是一個(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)的一部分 ——嵌入式伺服控制器的軟硬件電路原理設(shè)計(jì)，主要包括以下內(nèi)容： (1) 控制信號(hào)輸出電路的設(shè)計(jì) 分析、設(shè)計(jì)機(jī)器人各控制元件的特性及控制方式，選擇合適的驅(qū)動(dòng)控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各自由度的控制。 (2) 與上位機(jī)連接的 通信電路的設(shè)計(jì) 利用 CAN 總線完成遙操作器 、規(guī)劃器 與嵌入式伺服控制器之間可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遙操作，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、可靠性和實(shí)時(shí)性。將處理后的信號(hào)通過(guò) CAN總線上報(bào)給規(guī)劃器，使規(guī)劃器作出相應(yīng)調(diào)整，以保證電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確性，可靠性。這些微控制器被設(shè)計(jì)為可用電池工作。它們具有 16 位 RISC 結(jié)構(gòu)， CPU 中的 16 個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使 MSP430 微控制器能達(dá)到最高的代碼效率；靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗；數(shù)字控制的振蕩器 (DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6us 的時(shí)間內(nèi)激活到活躍的工作方式 [6]。 MSP430 系列單片機(jī)具有以下 一 些共同的特點(diǎn)。耗電電流 (在 ~400 uA 之間 )因不同的工作模式而不同；具有 16 個(gè)中斷源，并且可以任意嵌套，使用靈活方便；用中斷請(qǐng)求將 CPU 喚醒只要 6us，可編制出實(shí)時(shí)性特別高的源代碼；可將 CPU 置于省電模式，以用中斷方式喚醒程序。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。 4)豐富的片內(nèi)外設(shè) MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。其中，看 門狗可以使程序失控時(shí)迅速?gòu)?fù)位；比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器可以設(shè)計(jì)為 A/D 轉(zhuǎn)換器；定時(shí)器具有捕獲 /比較功能，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、 PWM 等；有的器件更具有兩個(gè)串口，可方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的并行端口，最多達(dá) 68 條 I/O 口線，而且 I/O 口線具有中斷能力； 12/14 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200 kbps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá) 120 段。 5)方便高效的開發(fā)環(huán)境 目前 MSP430 系列有 4 種類型器件： OTP 型、 FLASH 型、 EPROM 型和 ROM 型。對(duì)于 OTF 型和 ROM 型的器件是用相對(duì)應(yīng)的 EPROM 型器件作為開發(fā)片，或使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫或掩膜芯片；而對(duì)于 FLASH 型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷W(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 片內(nèi)有 JTAG 調(diào)試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到 FLASH 內(nèi)，再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由 JTAG 接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。開發(fā)語(yǔ)言 可選擇 匯編語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言。MSP430F449 的特點(diǎn)是 [7]： 1)低工作電壓： ~。 3)5 種節(jié)電模式。 5)12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部參考源 、采樣保持、自動(dòng)掃描特性。 7)帶有 3 個(gè)捕獲 /比較器的 16 位定時(shí)器有：定時(shí)器 A 和定時(shí)器 B。 片內(nèi)比較器配合其他器件可構(gòu)成單斜邊 A/D 轉(zhuǎn)換器。 10)線串行編程，不需要外部編程電壓。 12)可編程的保險(xiǎn)熔絲可保護(hù)設(shè)計(jì)者密碼。 工學(xué)學(xué)士論文 硬件設(shè)計(jì)與選型 D V c c 11P 6 .3 / A 32P 6 .4 / A 43P 6 .5 / A 54P 6 .6 / A 65P 6 .7 / A 7 / S V S i n6V R E F +7X I N8X O U T / T C L K9V e R E F +10V R E F / V e R E F 11P 5 .1 / S 012P 5 .0 / S 113S214S315S416S517S618S719S820S921S 1 022S 1 123S 1 224S 1 325S1426S1628S1729S1830S1931S2032S2133S2234S2335S2436S2537S2638S2739S2840S2941S3042S3143S3244P4.7S/3446P4.6S/3547P4.5/UCLK1/S3648P4.4/SOMI1/S3749P4.3/SIMO1/S3850P 4 .2 / S T E 1 / S 3 951C O M 052P 5 .2 / C O M 153P 5 .3 / C O M 254P 5 .4 / C O M 355R 0 356P 5 .5 / R 1 357P 5 .6 / R 2 358P 5 .7 / R 3 359D V c c 260D V s s 261P 4 .1 / U R X D 162P 4 .0 / U T X D 163P 3 .7 / T B 464P 3 .6 / T B 565P 3 .5 / T B 466P 3 .4 / T B 367P 3 .3 / U C L K 068P 3 .2 / S O M I 069P 3 .1 / S I M O 070P 3 .0 / S T E 071P 2 .7 / A D C 1 2 C L K72P 2 .6 / C A O U T73P 2 .5 / U R X D 074P 2 .4 / U T X D 075P2.2/TB177P2.1/TB078P2.0/TA279P1.7/CA180P1.6/CA081P1.5/TACLK/ACLK82P1.4/TBCLK/SMCLK83P1.3/TBOUT/SVSOUT84P1.2/TA185P1.1/TA0/MCLK86P1.0/TA087XT2OUT88XT2IN89TDO/TDI90TDI91TMS92TCK93/RST/NMI94P6.0/A095P6.1/A196P6.2/A297AVss98DVss99AVcc100S1527S3345P2.3/TB276 圖 MSP430F449 引腳圖 CAN 總線 接口設(shè)計(jì) CAN 總線簡(jiǎn)介 概述 對(duì)于一般控制 ， 設(shè)備間連鎖可以通過(guò)串行網(wǎng)絡(luò)完成。同時(shí) ， 國(guó)際上一些大的半導(dǎo)體廠商也積極開發(fā)出支持 CAN 總線的專用芯片 。它不僅僅是將電纜按樹形結(jié)構(gòu)連接起來(lái) ， 其通信協(xié)議相 當(dāng)于 ISO/OSI 參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層 ， 網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)協(xié)議探測(cè)和糾正數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中因電磁干擾而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。 CAN 的工作原理 當(dāng) CA