短驅動機器人是一種部門樞紐為主動樞紐，能用較少的驅動安裝實現(xiàn)龐大使命的機械系統(tǒng)。短驅動機器人是近年來起頭呈現(xiàn)的一個較新的研討范疇，針對短驅動機器人體系的研討現(xiàn)階段失掉很多學者的存眷。短驅動機器人體系正在良多的機器人體系例如多指機器人腳、輪式移動機器人、太空機器人等非完全約束體系中皆存在。是以近幾年來，短驅動機器人的運動節(jié)制問題惹起國內(nèi)外普遍的研討樂趣。同時，跟著集成芯片技巧的飛速發(fā)展，人們對短驅動機器人節(jié)制的實時性跟精度提出了愈來愈下的要求。
分揀機器人方案本文計劃了一種基于DSP的機器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)采取兩級控制結構。以通用PC作為上位機，實現(xiàn)方針設定、軌跡天生、系統(tǒng)管理跟人機接口等功用；以美國AnalogDevice公司的定點數(shù)字信號處理芯片ADSP2181為焦點，作為機器人節(jié)制的下位機。該控制器充足使用了DSP運算的高速性，進步了體系的及時跟穩(wěn)定性。
菜鳥分揀機器人說話體操機器人硬件體系計劃
1控制系統(tǒng)硬件布局
節(jié)制工具為三樞紐短驅動體操機器人，此中手臂樞紐為主動樞紐。節(jié)制轉矩來自兩臺直流伺服電機，配5l：l減速器伺服電機，經(jīng)軸線訂交的圓錐齒輪傳輸至驅動樞紐，驅動樞紐經(jīng)由過程能源耦合作用使主動樞紐發(fā)生運動。短驅動機器人控制系統(tǒng)的使命就是對驅動樞紐機電停止節(jié)制，機電運轉之前從節(jié)制界面輸入控制目標參數(shù)，上位PC機擔任發(fā)送節(jié)制下令與數(shù)據(jù)收羅。DSP處于全部控制系統(tǒng)的底層，次要用來吸收來自PC機的節(jié)制下令，對驅動樞紐履行機電節(jié)制，同時把底層信息反饋給上位PC機，以實現(xiàn)機器人運動信息的數(shù)據(jù)分析等功用，用一塊DSP運動控制卡對機器人的肩關節(jié)或髖關節(jié)停止插補計較跟伺服節(jié)制，采取PCI尺度總線停止上、下位機的通信，實現(xiàn)單速度運轉?？刂葡涿姘骞┙o了各樞紐事情形態(tài)顯現(xiàn)及伺服報警提醒，借可以對樞紐停止手動節(jié)制。三樞紐短驅動體操機器人控制系統(tǒng)布局如圖l所示，體操機器人本體如圖2所示。
2運動控制器布局
體系采取ADSP218l數(shù)字信號處理器為焦點，實現(xiàn)高性能的節(jié)制運算的伺服運動控制器。如圖3所示，運動控制器的節(jié)制進程為增量編碼器的A、B信任號作為地位反應輸入旌旗燈號，運動控制器經(jīng)由過程四倍頻、加減計數(shù)器失掉實際地位。實際地位的信息保留正在地位寄存器中，PC機可經(jīng)由過程節(jié)制寄存器讀取。運動控制器的方針地位由PC機設定，經(jīng)由過程外部計較失掉地位偏差，顛末數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)模轉換(DAC)或脈寬調制器(PWM)硬件處置懲罰電路，顛末轉換最初輸出伺服電機的節(jié)制旌旗燈號：+／-lOV模擬信號或PWM旌旗燈號。
3體系的通信
體系采取PCI總線停止通信。PCI總線的次要優(yōu)點是機能下(數(shù)據(jù)傳輸率可到達132264Mb／s)，總線通用性強，成本低，使用方便靈巧。體系通信采取PLX9054接口芯片，聯(lián)合雙口RAM，實現(xiàn)了DSP跟PCI總線間的雙向高速及時數(shù)據(jù)交換。PCI總線與雙口RAM的數(shù)據(jù)交換，采取了按時傳遞減握手旌旗燈號的方法停止。詳細實現(xiàn)以下：上位機每隔一個流動的工夫T下傳一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳遞實現(xiàn)后，收回一個發(fā)送完旌旗燈號，下位機接管到這個數(shù)據(jù)后，立刻從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。下位機上傳數(shù)據(jù)也采取一樣的處置懲罰方法。這類方法特殊得當于機器人控制系統(tǒng)的通信。
4驅動元件的取舍
驅動元件取舍了直流伺服電機，其參數(shù)為200W／7220mm／107mN·mMaxon。其驅動器可實現(xiàn)地位、速率跟轉矩三種分歧的節(jié)制方法：存在共振抑止跟節(jié)制功用，可填補機器的剛性缺乏，從而實現(xiàn)高速定位。同時，借采取PID濾波器，中加速度跟加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。經(jīng)由過程調節(jié)各參數(shù)，濾波器能對大多數(shù)體系實現(xiàn)正確而不變的節(jié)制。是以非常適合使用于機器人控制系統(tǒng)。
搖起控制策略
因為體操機器人年夜規(guī)模的運動，搖起問題是高度非線性又極具挑戰(zhàn)性的問題。搖起進程猶如人正在單杠一樣，先使體操機器人往返動搖幾回，體操機器人一直正在下，一旦有充足的能量施加到體系上，機器人即進入倒立形態(tài)，如圖4所示。
Spong發(fā)起一種非線性反應方式，這類方式應用部門線性反應界說PD控制器。從直觀上講，當體操機器人從吊掛穩(wěn)定平衡形態(tài)轉移到倒立沒有穩(wěn)定平衡形態(tài)的進程中，其勢能是不休增長的，是以須要向體系輸入充足的能量。本研討從能量增長的角度動身，采取帶有振幅跟頻次的正弦方法跟斜坡函數(shù)輸入，如許可同時增長擺動。
依據(jù)拉格朗驲運動方程式可推導出三樞紐機器人的動力學模子：
τ為體系的狹義外力，體操機器人正在運動進程中的總能量為：
Ki，Pi離別為第f個樞紐(手臂、軀干、腿)的動能跟勢能。
正在全部搖起進程，為保障能量不休增長須知足，能量的導數(shù)必需知足以下前提：
依據(jù)文獻的研討成果：應用M(q)一C(q，q)為否決稱矩陣，有：
明顯，為知足能量不休增長的不等式前提，搖起節(jié)制轉矩可取舍為：
式中sgn()為取符號函數(shù)，Ni為附加力。
藥品分揀機器人試驗證實采取正弦跟斜坡函數(shù)，此算法位于基于能量搖起模塊voidswing_up()中，這些數(shù)據(jù)離別從運．動控制器的2、1通道輸入，需解釋的是，正在對體操機器人體系停止數(shù)學建模時已明白，體操機器人體系是一個力控設備，依據(jù)牛頓第二定律，力與加速度成正比，是以給體系施加的節(jié)制量就是加速度，而速率則是一個事先設定的較大數(shù)值，正在節(jié)制進程中，普通不會到達這個速率值。如許保障發(fā)生的附加力隨能量的增長而減小，可搖起體操機器人到倒立平衡位置。
控制系統(tǒng)軟件設計
實行節(jié)制時，次要是控制軟件的編寫與節(jié)制其參數(shù)的調節(jié)。因為體操機器人控制系統(tǒng)的實時性要求較下，控制軟件必需知足實時性的要求，本系統(tǒng)控制周期為6ms。控制軟件必需正在精確的節(jié)制周期內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，處置懲罰而且收回節(jié)制旌旗燈號給運動控制器。
起首由上位PC機設置好控制參數(shù)，體系開始運行并實現(xiàn)初始化事情。底層控制器對各遷移轉變樞紐停止地位采樣，同時吸收來自上位PC機的控制指令，并把二者聯(lián)合正在一路停止剖析，經(jīng)由過程編寫出來的控制算法天生響應的轉矩節(jié)制旌旗燈號，經(jīng)功率放大后送給履行機電，同時把各樞紐的運動信息上傳給PC機，如斯重復，實現(xiàn)全部閉環(huán)運動節(jié)制。
下位機控制器上電后主順序停止控制器初始化操縱、制止看門狗、設置要害寄存器、設置中斷向量跟中止寄存器、初始化事宜管理器、基于能量搖起、停止實時控制模塊等。此中實時控制模塊中用到ADSP2181可編程定時器，它可能發(fā)生周期性的按時中止，按時距離是處理器時鐘周期的整數(shù)倍。當定時器被使能后，一個16位的計數(shù)寄存器TCOUNT每隔m個周期便會加1，其初始化順序以下：
上述中止初始化代碼創(chuàng)立一個6毫秒的定時器中止，即當翻開中止后，將每隔6毫秒對體操機器人體系停止一次實時控制。6毫秒的按時工夫是經(jīng)由過程向數(shù)據(jù)寄存器寫入0x1bf6=7158取得的。
基于高性能ADSP2181的控制器計劃可能知足機器人的搖起節(jié)制要求，且因為采取PC+控制器分級節(jié)制跟模塊化計劃思惟，將有利于硬、硬件進級，及大大縮短開發(fā)周期。體系正在實驗室停止機器人搖起試驗時，各機電軸運行安穩(wěn)，舉措調和軌跡跟蹤實時性好，機器人不呈現(xiàn)顫動、喘振等景象。
此后借須要商量更多的搖起與均衡控制策略，美滿DSP的控制程序。
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