发布时间：2023-11-13 16:11:32   来源：安博电竞

  为了保证运动控制体系软件的通用性和可移植性设计了 分层次的软件结构 (如图 8 所示 ) 。

  在开发的机器人图形示教控制管理系统中 , 主要设计是实现了 机械臂 、 规划器和控制器等 3 个主要类对象 。他们的关系如图 7 所示 。 其中机械臂类是核心 , 利用规划器类规划得到运动路径 , 再用控制器类实现各种运动 ,控制器类通过运动板卡提供的控 制命令和实际系统硬件交互 [ 4 ] 。最后展在图形用户界面 ( GU I) 面前的只有机械臂类 ,用户只需利用机械臂类生成的一个实际

  罗建国 ,何茂艳 ,孙学城 ,黄线. 华北科技学院 ,北京 101601; 2. 燕山大学 机器人研究中心 ,河北 秦皇岛 066004)

  摘要 : 在已构建 5 自由度串并联机器人的基础上 ,从硬件和软件两方面 ,对其运动控制管理系统进行设计 ,实现其空间复 杂图形的绘制和汉字的书写功能 。通过多种运动插补方法实现输出末端的预定轨迹 ,通过类对象间关系分析得到基于 PC 的运动控制体系软件层次结构 。利用 VB 语言开发出机器人示教系统的人机交互界面和程序 ,实现手写联动输入和 记忆重现功能 。实践证明所设计的硬件控制管理系统和软件控制管理系统表现良好 ,且具备可扩充功能 。 关键词 : 串并联机器人 ; 自由度 ; 控制管理系统 ; 程序 中图分类号 : TP24 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 2354 (2009) 07 - 0019 - 03 随着控制理论和科学技术发展与进步 , 运动控制技术在国 民经济和国防建设技术中所起的作用及其应用的范围越来越 大 。在工业生产里或现代武器系统中 ,运动控制技术正在不断 地深入到所有的领域并迅速地向前推进 [ 1 ] ,其应用场景范围已经涵盖 了几乎所有的工业领域 。运动控制技术也不再是用电子装置 对机械的简单控制 , 而是包含了机械工程 、 电子工程 、 控制工 程、 计算机科学及智能仪表技术的相互交叉和融合的技术 [ 2 ] , 如图 1 所示 ,运动控制逐渐形成了一门综合性 、 多学科的交叉 技术 。机器人运动控制的实质是对集成化部件组成系统的高 精度伺服控制 [ 3 ] 。针对一个 5 自由度串并联机器人 (如图 2 所 示 )进行运动控制管理系统设计 , 通过插补算法对机器人运动轨迹 进行规划 ,利用 VB 语言开发人机交互界面 ,实现机器人示教系 统的开发 ,实现多种图形的绘制功能 。 限制 。 PC I1020 可实现任意 2 轴或 3 轴的直线 轴 的圆弧插补和任意 2 轴或 3 轴的位插补 。插补运动是指 2 轴按 照一定的算法进行联动 , 被控轴同时启动 , 并同时到达目标位 置 。对于直 线 插 补 、 弧 插 补 和 位 插 补 , 最 大 驱 动 速 度 为 4 圆 M PPS,连续插补最大驱动速度是 2M PPS。在插补驱动中任何轴 的限制有效 , PC I1020 停止插补 。 ( 1 ) 直线 插补 。直 线 轴 ,例如 : 当选择 x, y 轴直线插补时 , 从当前位置到相对位置 ( x: 20, y: 10 )如图 4 所示 ,从当前坐标执行直线插补 ,终点 坐标由当前位置的相对数值设定 。精确设定每个轴的输出脉 冲数 。在每个轴独立运行时 ,输出脉冲数设定为没有符号的数 值 。但是 ,在插补驱动时 , 用相对数值设定当前位置的终点坐 标 。对 指 定 直 线 位 置 的 位 置 精 度 , 在 整 个 插 补 范 围 内 有 ± 5LSB (Least Significant B it) 。 0. 如图 4 所示 , 直线插补驱动 脉冲输出例子 ,在设定的终点数值中绝对值最大的是长轴 。在 插补驱动中 ,此轴一直输出脉冲 , 其他的轴是短轴 ,根据直线插 补算术的结果 ,有时候输出脉冲 , 有时不输出脉冲 。也可以任 意选择 3 轴进行插补 ,这样就是一个三维空间 。 ( 2 ) 圆弧插补 。圆弧插补从当前位置开始 ,根据所指定的 圆心和终点位置及插补的方向 (按顺时针或逆时针 ) 来进行 。 坐标设定值是对当前坐标 (始点 ) 的相对值 (并且是脉冲数 ) 。 能随意选择 2 轴进行圆弧插补 。 (3) 位模式插补 。位模式插补是把高位 CPU 计算的插补 数据以数据包的方式接收后 ,以指定的驱动速度连续输出插补 脉冲 。在插补初始化时要事先指定主轴 、 副轴 。主轴正 、 负方 向 ,副轴正 、 负方向要输出一个脉冲时 , 设定为 1, 不输出脉冲 时 ,设定为 0。这样设定的线 所示的轨迹 。

  执行的 。有根据命令和根据外部信号两种方法 。若使用外 部信号 ,就可以运行跟外部信号同步的插补驱动 。步进插补 时 ,插补主轴设定为定速驱动 。从每个轴输出的驱动脉冲高电 平宽度是 1 /2 脉冲周期 , 这周期由主轴设定的驱动速度而定 。 低电平宽度的增加直到下一个命令或外部信号的到来 。 1. 2 移动控制模块 机器人在水平面上的直线运动是通过车轮式机构的滚动 实现 ,使移动体本体相对于移动面产生相对运动 。该机构的特 征在于 : 在平坦的移动环境下 , 它比履带式移动机构或腿脚式 移动机构行进的速度和效率更好 , 它的机械结构也最简单 , 控制性能好 。 在机器人 5 自由度的运动控制中 ,包含了对移动机构的控 制 ,而 PC I四轴控制卡显然满足不了第 5 个自由度的控制 , 这 就从另一方面代表着要构建一个单轴控制模块与 PC I控制卡协调控制 ,从 而完成对 5 自由度机器人的综合控制 。 单轴 控 制 模 块 核 心 由 AT89S51 单 片 机 芯 片 组 成 。由 AT89S51 输出少数的脉冲控制整个机器人的移动距离及 移动速度 。在单片机模块的移动控制中 , 采用键盘式的在线输 入方式对机器人的移动距离进行设定 ,而对移动速度的控制需 由预先编好的程序完成 。若要改变移动的速度 ,需重新编制程 序完成对速度的控制 。单片机模块的控制电路图如图 6 所示 。

  位模式插补有以下 2 种方法结束 : 第 1 种是当主轴 ( x 轴 ) 正和负方向的输出位数据都为 1 时 ,位模式插补就结束 。收到 结束码后 ,堆栈计数器 ( SC )被强制为 0。所有遗留的位模式数 据都无效 ; 第 2 种是停止数据写入 ,停止向 BP数据堆栈写入数 据 ,当所有的位模式数据作为驱动脉冲输出后 , SC 为 0,结束插 补驱动 。 ( 4 ) 连续插补 。连续插补是直线插补 — 圆弧插补 — 直线 插补 ……,这样在每个插补节点之间不停地驱动 , 连续插补 。 在连续插补驱动中 ,如果设定了下一个插补参数并写入插补命 令 ,就能执行连续的插补驱动 。因此 ,在所有的插补节点中 ,从 连续插补驱动开始至结束的时间必须长于设定下一个插补节 点数据和发命令的时间 。

  在插补中 ,移动距离最长的轴为“ 长轴 ”另外一个轴为“ , 短 轴 ”“ 。 长轴 ” 输出一个均匀的脉冲序列 , 而“ 短轴 ” 的驱动脉冲 依赖于“ 长轴 ” 和两轴之间的关系 , 有时候输出脉冲 , 有时候不 输出脉冲 。插补驱动时 ,每个驱动轴都能进行硬件限制和软件

  作者简介 : 罗建国 ( 1977 - ) ,男 ,湖南岳阳人 ,博士 ,研究方向 : 空间机构和机器人 ,发表论文 20 余篇 。

  息并提供用户下达任务的接口 ,这一层是最终用户使用系统的 界面 ,应该设计得简洁而无歧异 [ 5 ] 。上层主控制程序对通用控 制系统做了抽象 , 运用该面向对象设计实现了主控制管理系统软 件 ,使其具有较好的通用性和可移植性 ,程序使用 VB 面向对象 程序设计编制 ,可以使用继承和派生等技术添加新的功能 。用 户操作界面和上层主控制程序运行于 PC 上 。上层主控制程序 通过运动控制器驱动库函数和运动控制器交互 ,控制器驱动库 函数提供了在操作系统环境下 ,使用运动控制器的各种功能函 数调用并使主控制器程序独立于具体的运动控制器硬件 [ 6 ] 。 这样 ,当运动控制管理系统使用提供了相同驱动库函数接口的不同 运动控制器时 ,不用修改主控制程序 。底层运动控制器程序也 就是写在运动控制板卡 EPROM 中的程序 , 集成了用于控制运 动平台控制轴的控制策略 。运动控制器输出的控制信号经过 驱动器放大后驱动运动平台运动 。