基于LM629的机器人单关节控制器设计.pdf
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1、题 目基于LM629的机器人单关节控制器设计摘要近年来随着人工智能技术、计算机技术以及网络技术等相关技术的飞速发 展,机器人在各个领域已经得到了广泛的应用,成为了一类关键的基础装备。机 器人单关节控制器是机器人的重要组成部分,每个完整的机器人控制系统都是由 单个的机器人单关节控制器所组成,因此机器人单关节控制器对机器人控制系统 起着决定性的作用。LM629是美国国家半导体公司生产的可编程全数字精密运动控制芯片,内置 PID算法和梯形图发生器能够自动生成速度曲线,平稳地加速、减速。本文采用 LM629精密运动控制芯片、AT89C51CC03单片机和少量的驱动电路构成了基于 LM629和CAN总线
2、的机器人单关节控制器。实验表明,由AT89c51CC03和LM629 建立的CAN总线的机器人单关节控制器,不仅简化了机器人控制系统软、硬件设 计,提高系统可靠性,减轻设计工作量,而且提高了系统性能,具有反应快,控 制精度高、实时性能好等优点。通过对机器人单关节控制器的软硬件设计和反复的调试,所制作的机器人单 关节控制器已经初步完成了预定的功能。AT89C51CC03单片机对LM629进行控制 和初步的数据处理,通过CAN现场总线与主机或其他设备进行实时通信,可以组 成现场总线控制系统。在本次毕业设计中完成了机器人单关节控制器的设计制作及软件系统的设 计调试。关键词 LM629运动控制器 51
3、单片机 CAN总线Title Design of Simplex Articulatory Controller of Robot Based on LM629AbstractIn recent years,with correlation technology,artificial intelligence technology,computer technology as well as networking rapid development,robot has already obtained application widespread in each domain and beco
4、me a kind of essential foundation equipment.The simplex articulatory controller of robot is one of the most constituent of robot.Each complete control system of robot is composed by the simplex articulatory controller of robot.Therefore,the simplex articulatory controller of robot is playing the dec
5、isive role in the control system of robot.LM629 is a programmable control chip of precise movement which produced by Semiconductor Company in USA.It contains the PID algorithm and the trapezoidal chart generator which can produce the velocity curve automatically,acceleration and deceleration steadil
6、y.This article used the LM629,AT89C51CC03 and a few actuation electric circuits to constitute the simplex articulatory controller of robot based on LM629 and CAN bus.The experiment indicates the simplex articulatory controller of robot which is made up by AT89C51CC03 and LM629 can simplify design of
7、 the robot control system of software and hardware,enhance reliability of the system,reduce work load of the design.It has merits including respond quickly control precision high,real time and so on.By the debugging repeatedly and design of software and hardware,the simplex articulatory controller o
8、f robot has already completed the predetermined function initially.The AT89C51CC03 carries on the control and the preliminary data processing to LM629,carries on the real-time communication through the CAN bus and the main engine or other equipment,may compose the field bus control system.It has com
9、pleted manufacture of the simplex articulatory controller of robot and debugging of the software system in this project.Keywords LM629 movement controller 51 MCU CAN bus目次1绪论.11.1机器人单关节控制器的研究背景及应用.11.2机器人单关节控制器研究现状.22机器人单关节控制器的主体设计.42.1机器人单关节控制器的总体设计.42.2机器人单关节控制器的方案论证.52.3机器人单关节控制器的组成.83 LM629运动控制器
10、选择.93.1 LM629 的特点.93.2 LM629的操作理论.93.3 LM629读和写操作.113.4 旋转编码器接口.124 CAN现场总线.134.1 CAN通信协议.134.2 CAN控制器配置.145机器人单关节控制器硬件设计.165.1 位置检测模块设计.165.2运动模块设计.175.3 CAN通讯模块设计.226机器人单关节控制器软件设计.326.1单片机的C语言程序设计说明.336.2系统对象字典.346.3控制器总体程序流程图.357机器人单关节控制器的制作及调试.36结论.37致谢.38参考文献.39附录A.40附录B.41附录C.46绪论机器人单关节控制器的研究背
11、景及应用机器人单关节控制器的研究背景近年来随着人工智能技术、计算机技术以及网络技术等相关技术的发展,对智能 机器人的研究越来越多。机器人控制器成为各种智能控制方法(包括动态避障、群体 协作策略)的良好载体;同时,以现场总线为代表的控制网络在工业以及其他控制系 统中扮演着不可缺少的角色。机器人控制系统开始从集散控制系统(DCS)向现场总线 控制系统(FCS)过度,现场总线将成为控制领域的主流。CAN总线由于具有可靠性高、成本低、容易实现等优点,在控制系统中得到广泛的应用。由于机器人的各个组成部 分构成网络化的分布式系统,为了开展多智能的调度、规划等控制,所以对机器人控 制器的研究越来越受到重视。
12、特别是在智能工程、控制工程以及机器人工程等领域起 着举足轻重的作用。机器人控制系统之间的双向信息交换和实时数据传输需通过控制器来完成,因此 其控制器的运算工作量和通信工作量都很大。如果采用集中控制,CPU的运算速度 难以满足实时性和高保真的性能要求。采用基于现场总线的分布式控制,把大量的伺 服控制和传感器信息处理放在每个智能控制器节点来处理,有利于进一步提高控制系 统的性能。机器人单关节控制器的传感器较多,线路比较复杂,线束的布局往往直接影响系统的性能。大量的布线不仅影响使用和维修,而且也不美观。机器人单关节控制器的主要应用机器人单关节控制器针对于各种智能机器人、工业机器人、航天机器人等的设计
13、,对机器人各个关节进行实时的控制,因此机器人单关节控制器不仅可以对机器人的各 个关节控制进行管理,而且在各个智能节点设备,也可以应用,特别是在研究和开发 领域,更是不可或缺的工具。机器人单关节控制器作为一种很有潜力的高级机器人技术,在航天、军工、核工 业、深海探测等特殊工作环境下正在大显身手,而且在微创手术、生物医学、虚拟现 实和地下开采等领域也扮演着越来越重要的角色。机器人单关节控制器是系统的关键 设备,其性能好坏直接影响整个系统的可靠、稳定性。机器人单关节控制器研究现状国外研究现状国外的研究成果:目前,美国、英国、日本、新加坡、德国、法国、澳大利亚等 国家都早已研制出机器人单关节控制。如:
14、东芝试制家用机器人ApriAlpha”该概念模型配备了新开发的利用分散对象技术的开放式机器人控制器,因此可以很容 易追加新功能。另外该公司建立了利用分散对象技术的“开放式机器人控制器架构(ORCA)”并且基于该架构新开发出控制器。采用模块化设计的IRC5控制器是ABB 公司最近推出的第五代机器人控制器,它标志着机器人控制技术领域的一次最重大。值得指出的是,由于将处理速度更高的微处理器引入至机器人控制器,从而显著地提高 了机器人运动控制性能,使机器人制造商能将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等 先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内。图1-1为带机器人单关节控制器的机械手实物照片:图1-1带机器
15、人单关节控制器的机械手实物照片国内研究现状我国目前的研究状况:国家863计划在“八五”、“九五”和“十五”期间分别 将机器人技术作为主题,制定了相应的高技术研究发展规划。“八五”期间重点围绕 恶劣环境的室外移动机器人,用于处理核废料的遥控移动作业机器人,壁面爬行机器 人,水下无缆自治机器人,高精度装配机器人等五种类型开展先进机器人控制技术研 究。“九五”期间重点围绕汽车,家电等工业机器人产业化与以水下6000米机器人 为代表的特种机器人等方面开展了先进机器人关键技术与应用示范研究。“十五”期 间进一步拓宽了机器人技术向自动化装备技术方面的发展,一方面围绕国家急需的关 键基础装备,包括高精尖数控
16、机床,全断面盾构掘进机与工程机械.自动化生产线 等.开展了相应关键技术与应用示范研究另一方面围绕国家社会发展需求的机器人与 自动化装备,包括深海载人潜器、仿人仿生机器人,危险作业与反恐防爆机器人.医 疗外科机器人等方面开展了先进机器人控制器研究。机器人控制器在我国应用的主要问题是:机器人控制器价格昂贵,许多企业和科学研究机构无法接受;机器人控制器的许多标定基础是以外国标准进行的,由于技术保密,系统参数 的修定只能由机器人控制器生产厂家来进行,无法适应我国产品品种多的现状。总之,无论从高校还是从企业来看,对机器人控制器的研究都已有很大的进展,虽然还是落后于发达国家的研究水平,但随着我国对科研研究
17、力度的加大,对机器人 单关节控制的研究将更为深入,相信在不久的将来会研制出更加先进的机器人控制 器。机器人单关节控制器的主体设计机器人单关节控制包括硬件电路和软件系统。硬件电路是软件系统的载体,因此,设计机器人单关节控制的电气部分先得确定硬件电路的设计方案,然后再通过软件系 统控制其工作。机器人单关节控制器的总体设计总体设计思想基于LM629精密运动控制器,利用CAN现场总线与其他设备控制器进行通信。通过调研决定选取单片机AT89C51CC03作为控制器的核心,C语言作为设计程序语 言。机器人单关节控制总体设计方框图如下图2-1:直流 电动 机2-1机器人单关节控制总体设计方框图驱动蜃629动
18、制LM运控器图拟解决的主要问题和研究的主要内容拟解决的主要问题:微处理芯片(AT89c51CC03)硬件电路设计及用高级语言C的程序设计;LM629精密运动控制芯片的硬件电路设计及程序设计;CAN现场总线通信的软件设计;拟研究的王要内容:AT89C51CC03的接口电路设计及C语言编程与PCB图的设计;选择LM629精密运动控制芯片以及光电编码器的确定;CAN现场总线原理及应用;机器人单关节控制器的方案论证硬件电路的方案AT89C51CC03是ATMEL公司推出的一款内带CAN控制器增强型80C51单片 机。由于内置CAN控制器,具有抗干扰能力强和性能价格比高等优点,特别是在机 器人控制和实时
19、通讯方面更具有其独特的魅力。AT89C51CC03具有完善的CAN控 制器,利用TXDC和RXDC两个引脚来作为CAN通信接口。通过此功能可以方便的 组成基于CAN总线的分布式控制系统,实现数据的实时传输和交换。AT89C51CC03 单片机内部嵌入的ADC模块具有10位数字量精度,共有8个模拟通道,不用外加专 门的ADC即可以对模拟信号进行数字信号的转化。因此,AT89C51CC03可以作为 机器人单关节控制器的微处理器。如图2-2 AT89C51CC03片内资源示意图:0XH oxa一 n J一-OuPCA8X1 A UQXK IZJ.A XUJZIXTAL1CPUUARTRAM 256x
20、8Flash BootEE64k x 8 loader PROM2kx8 2kx8ERAM 2048肿 iii rTimer2CAN CONTROLLERTimer 0Timer 1INT CtrlWatch DogEmul Unitparallel I/O Ports and Ext.BusPort 0Port 1Port 2Port 33ort4i10 bit ADCSPIInterfaceid s LULL|z口oNotes:1.8 analog lnputs/8 Digital I/O 2.5-Bit I/O Port图2-2 AT8 9C51CC0 3片内资源示意图如图2-3 AT8
21、9c51CC03片PLCC封装的外观示意图:nalxn 二 vlxn 00n ssn IWSllJHn 0200 n Li.山 Hn zl/ONWndn XSNmrr 63KN wrQIn OX 山。BNVBLdnP1.4/AN4/CEX1 P1.5/AN5/CEX2 P1.6/AN6/CEX3 P1.7/AN7/CEX4EA P3.0/RxD P3.1/TxD P3.2/INT0 P3.3/INT1P3.4/T0 P3.5E匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚 匚PLCC44 ALE PSEN P0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5Zl P0.4/AD4 P0.3/AD3 P
22、0.2/AD2 P0.1/AD1 P0.0/AD0Zl P2.0/A8u 6L7d u OMZZd u Lwe.zd uucoLwgzd u w9zd M gLzzd uu 3axioTd u cued u HM/9 g d图2-3 AT8 9C51CC0 3的PLCC封装的外观示意图AT89C51CC03增强型51单片机的主要特点:80C51内核;256B的片内RAM;2K的片内ERAM;2K的EEPROM;双数据指针;-64KB片内可编程序Flash存储器;14个中断向量,其具有4个优先级的中断;工作时钟频率2MHz60MHz;3级程序存储器保密;32+4个可编程I/O 口;3个16位定时
23、器/计数器;1个21位的看门狗;5通道16位的PCA;8通道10位的ADC;CAN控制器,全面支持CAN2.0A、CAN2.0B协议;软件系统的方案在编写单片机程序时,可以用汇编语言编写,也可以用C高级语言来编写,还 可以用两者混合编程。C语言作为高级语言,它更接近和体现人的设计思想;C高级 语言是目前流行的一种计算机语言,它主要用于单片机和一般微型计算机。C高级语言程序设计快、可读性好、可靠性高、可移植性好、代码转换质量高。单片机C高级语言的特点是同时兼有高级语言和汇编语言的优点,还能像汇编语言 那样直接利用CPU的硬件特性进行程序设计,直接操作单片机的硬件和接口。C高 级语言目标模块还可以
24、同汇编连接组成一个完整的程序,目前在单片机应用领域,C 高级语言越来越受到人们的重视。使用C高级语言的工作效率高,其生成的机器代 码质量也是高水平的。总体方案的确定总体方案:基于LM629运动控制芯片和内带CAN控制器的AT89C51CC03单片 机构成的机器人单关节控制器,机器人单关节控制器示意图如下图2-4所示。运动控 制芯片LM629通过8位数据线和6根控制线与单片机AT89C51CC03的I/O 口相 连。单片机通过数据线向LM629发送位置或速度命令、设定PID调节参数,或者从 LM629中读取速度、加速度等数值。LM629输出的脉宽调制幅度信号和方向信号,经过功率放大后驱动直流电动
25、机。增量式光电编码器提供闭环控制所需的反馈信号(A、B、IN),梯形图发生器计算出位置或速度模式下所需控制的运动轨迹。AT89C51CC03为LM629提供加速度、速度和目标位置量,在每个采样周期用这些值 来计算出新的命令和位置给定值,将其作为指令值。由增量式光电编码器检测电动机 的实际位置,其输出信号经过LM629四倍频后进行解码,形成位置反馈值。指令值 与反馈值的差值作为数字PID校正环节的输入。通过数字调节器PID计算,LM629 输出脉宽调制信号PWMM和方向信号PWMS用于控制,进而驱动电动机运动到指 定的位置。LM629在进行位置控制的同时,还对速度进行控制。LM629在接受到主
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