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基于DSP的GR—Ⅱ机器人控制器
第32卷第 4期 2 0 0 1年 8月 中南工业大学学报 J.CENT.$OLrIM UN1V.TECHNOL. vd.32 No.4 A . 2 0 0 1
基于 DSP的 GR一Ⅱ机器人控制器
阳小燕 。周国荣。陈 新
(中南犬学信息科学与工程学院,湖南长沙 410083)
摘要:在分析和研究GR-Ⅱ教学机器人原控制嚣的基础上.设计了1种能在机器人上研究、实现不同轨迹规划方法 和控制算法的基于DSP的新型机器人控制嚣.该控制嚣以通用Pc作为上位计算机,甩6个DSP对机器人6个关节 运动进行插补计算和伺服控制.采甩高速 CAN总线进行上位机与下住机之闻的通讯,实现上住机和下位机的藏速 率运行.以适应复杂控制算法对计算时间和机器人运行性能与精度对高伺服频率的要求.同时.通过软件设计在上 位机进行运动擘、动力学计算,并括此修正下住机控制算法的PID参数.实现动力擘近似补偿. 关■词:机器人;控制嚣;DSP 中圈分类号:TP242 2 文献标识码:A 文章编号:1(]05.9792(2001)04-042V0S
随着科学技术的不断发展,人们对机器人控制 的实时性和精度提出了越来越高的要求.同时,Pc 机和集成芯片技术的飞速发展,为各种复杂控制算 法的实现提供了必要条件 .而要提高机器人轨迹跟 踪精度和实时控制性能.必须提高伺服控制器的插 朴和伺服运算频率?.GR-Ⅱ机器人作为教学和研究 用机器人,可实现一般的坐标变换、运算演示、写字 画图等作业,但不能满足高精度和高实时性的控制 要求,如控制精度和伺服频率低、电机速度不可调 节,机器人运动不平稳、存在抖动等.因此,需要对 GR-Ⅱ机器人控制器进行改造.近年来,数字信号处 理器(Digital sigI1al Procesing,即 DSP)以其高速运算 能力和丰富的片内功能,在很多领域得到应用 J, 如电机控制、谐波处理、语音数字化处理等.在此,作 者以6个高速数字信号处理器 TMS320F243为核心 构造 GR-Ⅱ机器人伺服控制器,对该控制器的硬件 结构、控制策略和实现方法进行研究.
1 GR-Ⅱ机器人及其控制系统结构
1.1 GR一Ⅱ机器人及运动学求解 该机器人主要由腰、大臂、小臂、腕俯仰、腕旋转 5个关节和手爪(具有开度控制)组成,GR-Ⅱ机器人 结构简图如图 1所示.其中: 杆为腰,风 为高度, AB杆为大臂;BC杆为小臂;Lo为长度;手腕由 CD.
DE 2根杆构成,长度分别为 厶, .手腕旋转、手爪 开和合不影响机器人终端坐标.机器人逆运动学求 解一般采用代数法的分离变量法或半解析半几何 法?.由于 GR-Ⅱ机器人关节驱动电机均安装在基 座上,因此,可采用纯几何法求解.
圈 1 GR-Ⅱ机器人结构简图
手爪中心 P( ,Y,=)在 ,l,平面上的投影长 度 为
= . 腕心的相关参数为 dI:R —L1sina+ c08口, d2:Z+L1c08口一 sina一风 , 出:{ i i.
d : .
收■日期:2OOl·02—20 作者筒介:阳小燕(1974一),男.朝南涟楫^,中南大学硬士研究生,从事机器^控制、计算机控制研究
维普资讯
筹4期 用小燕,等:基于瑾 的GR-Ⅱ机器人控制器
= 象,
d 7 BIc岫 ,
: 砌 m
其中,0≤ rd2. 确定角度 }的条件: 当ld】le时,}=~r/2; 当 d20且 dl0时, = 一y; 当 d20且 dl0时, : +y; 当 0且 d】0时,}=一y. 确定角度 的条件: 当lYle时, =0: 当Y0且 0时,}= 一 ; 当Y0且 0时, = + ; 当Y0且 0时, =一 . 由此可得各关节角度:
= 口 .
叩: 一 , 占=口+曹,
= .
其中: ,口为手腕俯仰角;口为小臂旋转角; 为大臂 旋转角; 为腰关节旋转角; ,Y, , 由上位机通过 轨迹规划计算得出. 1.2 控制系统结构 GR-I机器人采用两级控制结构,整个控制系统 分为监控计算机和伺服控制 2个部分.系统结构原 理如图2所示.
圈2 原控刺嚣蛄构图
1.2.1 监控计算机 采用通用 pc进行机器人轨迹规划、运动学计 算、人机通讯等操作.对给定目标位置,计算出各个 关节的运动量,通过 RS2.32传送给单片机. 1.2.2 伺服控制部分 由单片机控制板和伺服驱动板 2个部分组成.
单片机控制板由1片8031单片机作为伺服控制器的 核心,对 6个关节进行伺服控制.8031单片机接收各 关节位置给定后与光电编码器反馈脉冲数相比较计 算出控制量,经驱动电路将 ±19 V直流电源直接加 在电机上,控制电机的运转和方向. 1.2.3 脉冲反馈信号的计数及方向判别的软件实 现 采
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