（电力电子与电力传动专业论文）无线机器人示教盒控制系统的设计.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含 为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 研究生签名 至荽止日期 丝雩 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文 档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除 在保密期内的保密论文外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括以电子信息形式刊登 论文的全部 内容或中 英文摘要等部分内容 论文的公布 包括以电子信息形式刊登 授权东南大学研究生院办理 一躲垃摊名 魁魄芈p 摘要 摘要 本文针对现有的工控机控制系统存在的位置固定 不利于观察 操作复杂 界面不友好等问题 构 建了一套基于短距离无线通信技术和微机控制技术的简易机器人示教盒控制系统 该系统能够在短距离 内以无线的方式控制机器人完成基本运动 并通过按键 液晶屏幕及菜单操作功能提供了良好的人机交 互 本文首先对国内外示教盒的研究现状进行了分析 在此基础上 针对本实验室现有的机器人控制系 统的软硬件平台提出了一套无线机器人示教盒的总体设计方案 设计一款手持式机器人示教盒设备 利 用短距离无线通信技术完成示教盒与上位机 工控机 之间的数据交互 示教盒的核心控制器采用 m s p 4 3 0 系列单片机 主要完成 通过键盘操作和液晶显示的方式进行在线示教和机器人示教程序编辑 对于一个单一的示教程序 通过调用前面师兄完成的三个运动控制函数 可分别完成下列3 种任务中的 一种 a 最多2 1 步的关节运动 b 最多走一条两点间直线 c 最多走一条三点间的圆弧 上 述三种运动现在还不能在同一个示教程序中混合编程 上位机负责接收示教盒发送的命令及示教程序 并对其进行解释与执行 同时返回机器人的运行数据和状态 然后 根据机器人示教盒的功能结构 文章提出了无线机器人示教盒的硬件整体结构设计方案 并 以模块化的方式分别对示教盒主控制板和通信接口板的硬件电路的设计与实现进行了分析与介绍 接着 在硬件设计的基础上 本文对整个系统的软件设计进行了功能模块划分并详细介绍了各个模 块的实现方法 主要包括键盘处理模块 液晶显示模块 菜单系统模块 文件管理模块 无线通信模块 等 其中无线通信方式的实现是本课题的重点 文章的最后 介绍了系统的调试过程 得出了实验结论 并针对调试过程中发现的问题和不足之处 提出了改进设想 关键词 机器人 示教盒 工控机 无线通信 液晶显示 a b s t r a c t i nr e s p o n s et ot h ep r o b l e m si n p r e s e n ti p c c o n t r o l s y s t e m s u c ha sf i x e dl o c a t i o n i n c o n v e n i e n t o b s e r v a t i o n c o m p l i c a t e do p e r a t i o n u n f r i e n d l yi n t e r f a c e as i m p l ec o n t r o ls y s t e mo fr o b o tt e 眦h i n gp e n d a n t b a s e do nc o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g ya n ds h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g y i sc o n s t r u c t e d w i t hk e y b o a r d l c ds c r e e na n dm e n uo p e r a t i o n o p e r a t o r sc a i ie a s i l yc o n t r o lt h er o b o tt oc o m p l e t eb a s i c m o v e m e n to p e r a t i o ni nw i r e l e s sc o m u n i c a t i o nm e t h o d f i r s to fa l l ag e n e r a la n a l y s i so fs t u d yo i lt e a c h i n gp e n d a n ta th o m ea n db r o a di sg i v e n b a s e do i lw h i c h t h ew h o l e d e s i g ni d e ao f t h ew i r e l e s sr o b o tt e a c h i n gp e n d a n tf 0 r 廿l er o b o ti no u rl a bi sb r a u g h tf o r w a r d d e s i g n ah a n d h e l dt e a c h i n gp e n d a n td e v i c ew h i c hc o m p l e t e sd a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e n t e a c h i n gp e n d a n ta n di p ci n s h o r t r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nw a y o n eo fm s p 4 3 0s e r i e sm c u si sa d o p t e da s 廿l ec p uo ft h et e a c h i n g p e n d a n t w h i c ha n s w e r sf o rc o m p l e t i n go n l i n et e a c h i n ga n dt e a c h i n gp r o g r a me d i tw i t hk e y b o a r dc o n t r o la n d l c ds c r e e n t h r e ek i n d so f t e a c h i n gp r o g r a m sc a nb er e a l i z e db yu s i n gt h r e em o v e m e n tc o n t r o lf u n c t i o n st h a t w e r ep r o g a m e db yo t h e r sb e f o r e a 2 1p o i n t sj o i n t m o va tm o s t b m o v ea tab e e l i n eb e t w e e n2 p o i n t s c m o v ea ta na r cb e t w e e n3p o i n t s t h et h r e em o v em o d ec a n n o tb em i x e dn o w n 地i p ci s r e s p o n s i b l ef o r r e c e i v i n gt e a c h i n g i n t e r p r e t i n ga n dt h e ne x e c u t i n gi n s t r u c t i o n s a tt h es a m et i m e i tr e t u r n sr e l e v a n td a t aa n d s t a t u st ot h et e a c h i n gp e n d a n t s e c o n d l y b a s e do nr e q u i r e df u n c t i o n sc o n s t r u c t i o n t h ed e s i g ni d e ao f t h ew h o l eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o no f t h ew i r e l e s sr o b o tt e a c h i n gp e n d a n ti sp u tf o r w a r d i no r d e rt oa n a l y z ea n di n t r o d u c et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o f 龇c i r c u i to fm a i n b o a r da n dc o m m u n i c a t i o nb o a r dc o n c i s e l y m o d u l e d e v i s i o ni sm a k e da c c o r d i n gt o f u n c t i o n s n l 硼l y i nt h eb a s i so fh a r d w a r ec o n s t r u c t i o n t h es o f t w a r ei sd e v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s i n c l u d i n g k e y b o a r dp r o c e s sm o d u l e l c ds a e e nd i s p l a ym o d u l e m e n um o d u l e f i l em a n a g e m e n tm o d u l ea n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a n dt h er e a l i z a t i o no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni si n t r d u c e de m p h a s i s l y f i n a l l y t h ed e b u g g i n gp r o c e s si si n t r d u c e da n dt h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o ma 陀m a d e a l s o am a k i n g u p d e s i g ni sp r o v i d e d 碘脚t h ep r o b l e m sa n ds h o r t a g ei ne x i s t i n gs y s t e m k e y w o r d r o b o t t e a c h i n gp e n d a n t i p c w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s l c ds c r e e nd i s p l a y 3 4 机器人示教盒的功能结构设计 l o 3 4 1 中央处理器的选择 3 4 2 指令输入方式的选择 ll 3 4 3 界面显示方式的选择 1l 3 4 4 通信方式的选择 1 2 3 5 软件开发平台 1 3 3 5 1 软件开发语言 1 3 3 5 2 软件开发工具 1 3 3 6 本章小结 1 4 第四章无线机器人示教盒的硬件设计与实现 1 5 4 1 机器人示教盒的硬件整体结构 1 5 4 2 示教盒主控制板电路设计与实现 1 5 4 2 1 中央处理器模块 l5 4 2 2 液晶显示模块 1 8 4 2 3 键盘输入模块 2 0 4 2 4 无线通信模块 2 3 4 2 5 电源模块 2 4 4 3 通信接口板电路设计与实现 2 5 4 3 1 通信处理器模块 2 5 i h 目录 4 3 2 通信接口模块 2 6 4 3 3 通信电源模块 2 8 4 4 印刷电路板 p c b 的设计 2 9 4 5 本章小结 2 9 第五章无线机器人示教盒的软件设计与实现 3 0 5 1 示教盒软件的总体设计 3 0 5 2 键盘输入模块的设计 3 l 5 2 1 模拟1 2 c 总线技术 3l 5 2 21 2 c 键盘接口的模拟实现 3 3 5 2 3 键盘的工作方式 3 4 5 3 液晶显示模块的设计 3 5 5 3 1 示教盒的显示界面布局 3 5 5 3 2 液晶显示驱动程序 3 6 5 3 3 字符显示及汉字字库的实现 4 0 5 4 菜单系统模块的设计 4 l 5 4 1 菜单关系结构的设计 4 l 5 4 2 菜单数据结构及操作流程 4 2 5 5 文件管理模块的设计 4 5 5 5 1 文件存储方式的设定 4 6 5 5 2 机器人示教文件的编辑 4 6 5 5 3 机器人示教文件的管理 4 9 5 6 本章小结 5 0 第六章机器人示教盒无线通信的实现 一 5 l 6 1 无线通信软件的设计 5 l 6 1 1 硬件抽象层 h a l 设计 5 2 6 1 2 应用层 a l 设计 一 5 2 6 2 串口通信软件的设计 二 5 6 6 2 1m s p 4 3 0 单片机串口通信软件设计 5 7 6 2 2 上位机串口通信软件设计 5 7 6 2 3 通信协议的设计 6 3 无线与串口衔接问题 6 2 6 4 本章小结 6 2 第七章调试和运行 7 1 软硬件调试实验 6 4 7 2 示教再现系统联调实验 6 4 7 3 实验结论 7 0 7 4 系统存在问题的改进设想 7 l 7 5 本章小结 7 2 第八章总结 致谢 参考文献 附录1 硬件实物图 i v 7 3 7 4 7 5 7 7 v 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 工业机器人是机器人的一种 它由操作机 控制器 伺服驱动系统和检测传感器装置构成 是一种 仿人操作自动控制 可重复编程 能在三维空间完成各种作业的机电一体化的自动化生产设备 非常适 合于多品种 大批量柔性生产 它对稳定和提高产品质量 提高生产效率 改善劳动条件的快速更新换 代起着十分重要的作用 i 1 j 随着科技的不断进步 工业机器人的发展过程可分为三代 第一代 为示教再现型机器人 它主要 由机器手控制器和示教盒组成 可按预先引导动作记录下信息 重复再现执行 当前工业中应用最多 第二代为感觉型机器人 如力觉 触觉和视觉等 它具有对某些外界信息进行反馈调整的能力 目前已 进入应用阶段 第三代为智能型机器人 它具有感知和理解外部环境的能力 在工作环境改变的情况下 也能够成功地完成任务 它尚处于实验研究阶段 纠 示教再现型机器人是一种可重复再现 通过示教编程存储起来的程序作业的机器人 示教编程 指通过下述方式完成程序的编制 由人工导引机器人末端执行器 安装于机器人关节结构末端的夹持器 工具 焊枪 喷枪等 或由人工操作导引机械模拟装置 或用示教盒 与控制系统相连接的一种手持装 置 用以对机器人进行编程或使之运动 来使机器人完成预期的动作 作业程序 任务程序 为一组运 动及辅助功能指令 用以确定机器人特定的预期作业 这类程序通常由用户编制 由于此类机器人的编 程通过实时在线示教程序来实现 而机器人本身凭记忆操作 故能不断重复再现 3 示教再现机器人的基本结构 是由机器人本体 执行机构 控制系统 示教盒等部分组成 机器人 本体一般采用直角坐标型 圆柱坐标型 极坐标型或多关节型 多关节型机器人本体占地面积小 动作 范围大 空间速度快 灵活性和通用性好 已逐步成为机器人机械结构的主流 执行机构逐步由液动向 全电动发展 采用示教再现 t e a c h i n g p l a y b a c k 方式 简称t p 方式 可使机器人具有方式通用性和 灵活性的优点 t p 方式是用自动化机械代替人工作业的最直接的方法 t p 机器人的控制系统的主 要功能有 对外部环境的检测 感觉功能 对作业知识的记忆功能 位置控制及加减速控制功能 反复动作指定功能 有条件无条件跳转功能 对外部设备的控制功能等 3 自2 0 世纪5 0 年代末至9 0 年代 世界上应用的工业机器人绝大多数为示教再现型工业机器人 即第一 代机器人 在8 0 年代之前 以人工导引末端执行器 俗称手把手示教 及机械模拟装置两种示教方式居多 在点到点 点位控制 和不需要很精确路径控制的场合 用上述示教方式可降低成本 2 0 世纪8 0 年代后 半期至9 0 年代生产的工业机器人一般都具有人工导引和示教盒示教两种功能 采用示教盒示教可大大提 高控制精度 并能控制机器人速度 且免除了人工导引的繁重操作 我国 七五 攻关和 八五 期 间研制 生产的工业机器人多属示教再现型机器人 鉴于实验室现有的机器人是没有传感器的多关节型机器人 而且已经建立起一套运动控制系统 应 该属于第一代机器人的范畴 但目前还没有研制示教盒 因此不能称为完整的示教再现机器人 所以本 文对示教盒的研究具有必要性 而且对于以后进一步的研究和开发也具有一定的意义 1 2 国内外示教盒的研究现状与分析 瑞典a b b 公司为采用模块化设计的第五代机器人控制器 i r c 5 控制器 配套设计了一个功能强大的 示教盒 该示教盒与其控制器通信 可以同步控制四台机器人 该示教盒的物理设计和布局以及触摸屏 上常见的菜单型w i n d o 啪 点击一页面 具有很强的用户友好性 该装置重量不足1 3 k g 采用了人机 工程学设计 无论操作员手掌大小 均同样适合左手或右手单手操作 另外 该装置采用7 7 英寸 6 4 0x l 东南大学硕士学位论文 4 8 0 像素 图形化彩色触摸屏 可视角度为1 8 0 度 触摸屏的使用使按钮数量实现最小化只需8 个按钮即可 实现快速访问 固定式和可分配式各4 个 该示教盒按照单机装置设计 采用开放式系统p c 架构 自配 计算能力 软件与微软公司联合开发 采用w i n d o w s n e 礞作系统 支持中文 日文和韩文等各种亚 洲文字 显示页面采用了熟悉的图标和图形 用户可充分利用触摸屏上的各种图形和图标进行操作 进 一步增强了示教器的 友好性 i s 日本安川公司为s v 3 机器人控制器配套设计了示教盒 该示教盒外壳采用强化塑料制作 外形美观 大方 按键设置与布局充分考虑了人体工学原理 操作者操作时非常方便 在示教盒的后面设置有安全 开关 操作者通过安全开关可以开启 关闭伺服电源 操作非常安全 液晶显示采用彩色的液晶显示屏 显示界面分为中英文两种显示界面 并配有图形和文字两种显示方式 显示屏划分为四个显示区即菜单 显示区域 状态显示区域 通用显示区域和人机接口显示区域 通过轴操作键可以控制机器人单向运动 也可以合成运动 速度和坐标系都可以通过按键选择 1 5 另外 日本松下公司和三菱公司也为其自己研制的机器人相应地配套设计了示教盒 美国的 w e s t i n g h o u s e 公司u n i m a t i o np u n i a5 6 0 系列1 6 1 的示教盒也是比较典型的机器人示教盒 p a r 系统公司设计开发的低成本高精度的v e c t o r 2 机器人 其手持控制器装有一个急停开关按钮和三 位使能开关 符台 a n s i r i a l 5 0 6 1 9 9 9 标准 手持控制器上配备有一个8 行每行2 6 字符的显示器 一个 倍率控制按钮和一个密封的工业键盘 键盘由系统键 用于控制和修改机器人操作参数 功能键 操 作机器人每一个轴的驱动键和应用键组成 1 7 j 在国内 也有越来越多的公司和高校从事机器人的研究 部分公司和高校也为其机器人配套设计了 示教盒 专门从事工业机器人研究的首钢莫托曼机器人公司所研制的机器人示教盒颇具特色 沈阳新松公司 在开发弧焊机器人i s j 时也研制出了中文界面功能键驱动的新型示教盒 该示教盒通过串行口与主计算机 相联 编程示教盒的外形采用s o l i d e d g e 进行三位c a d 设计 符合人体工学的标准 大大提高了编程示 教盒的设计水平 编程示教盒由显示屏 5 4 个键和急停按钮组成 用单片机进行管理 显示屏采用 3 2 0 x 2 4 0 点阵的l c d 图形显示器 可显示1 3 行x 2 0 个汉字 按键功能分成四组 1 功能键 2 轴 操作键 3 程序编辑键 4 光标 数字键 参与机器人研究的高校主要有上海交通大学 哈尔滨工业大学 清华大学等 其中 上海交通大学 机器人研究所从事机器人研究较早 目前已经完成了e d u r o b o t 6 8 0i 型机器人的研发 并 为 型机器人开发了一套教学机器人示教盒 9 1 1 3 课题的研究方向 本课题的研究对象是一个6 关节机器人手臂 由底座主体 大臂 小臂和手腕等几个部分组成 本 课题是在前面几届师兄研究工作的基础上 进行的进一步研究工作 前面几届师兄完成了机器人运动控 制卡的设计 开发了基于工控机w i n d o w s 2 0 0 0 系统平台的机器人运动控制系统软件 包括 下位机的 c p l d 程序 上位机p c i 驱动程序 六关节的运动控制的上下位机程序 机器人运动学正逆解解析表达 式的推导 并设计了工控机和d s p 运动控制卡的通讯协议等 1 0 l 由于目前此台机器人的示教功能是通过工控机上的人机界面模拟实现的 1 1 工控机的显示器体积 比较大并且位置较为固定 在操作人员进行示教时会遮挡视线 也限制了操作距离 无法准确观察机器 人的定位 另外 机器人示教盒是示教再现型机器人控制系统的重要组成部分 作为一个重要的人机交 互终端 用户通过它可以控制机器人按照预期的轨迹进行运动 并在运动过程中通知上位机记录下在不 同坐标系中的点位信息 生成示教程序 另外 用户还可以对程序进行手工编辑 设定速度 加速度等 相关参数 从而使机器人进行精确的操作 所有生成的示教程序在上位机保存后可以反复使用 这样提 高了机器人的工作效率 就目前来看 我们应从应用的角度出发 设计结构简单 成本低廉的实用型机 器人 因此 该项目的研究具有十分显著的经济效益 满足机器人控制系统不断进步发展的要求 基于以上问题 本文在原有基础上开发了一款具有示教再现功能的示教盒设备 为了示教盒的应用 2 第一章绪论 更加灵活方便 采用了无线通信方式 从而摆脱线缆的限制 延长了操作者的操作距离 并且采用1 6 位单片机作为微处理器 既能满足控制要求 又降低了开发成本 本课题的主要内容如下 1 开发一个基于m s p 4 3 0 单片机的 具有示教再现功能的示教盒硬件平台 包括采用无线数 据传输方式与已有控制系统的硬件传输接口 2 开发了与示教盒硬件系统配套的软件系统 提供了一个友好的人机交互界面 包括中英文 菜单 状态显示 方便操作的功能按键 完成示教盒的初步的基础功能 3 开发了示教盒与原有控制系统的软件接口 4 完成了示教盒对机器人6 个关节的软硬件调试 5 最后 针对不能对三种基本的运动方式进行混合编程的问题 提出了一个改进设想 本课题在设计中使用的集成开发环境和软件资源有 v i s u a lc 6 0 p r o t e ld x p2 0 0 4 i a r e m b e d d e dw o r k b e n c h3 4 1 a 工控机操作系统采用m i c r o s o f t 公司的w j i l d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 硬件环境 6 关节机械臂 机器人各关节上面安装有交流伺服电机 电机额定转速为3 0 0 0 转 分 带有光电码盘和制动器 和伺服电机配套的是日本安川公司的s g d m a 伺服驱动器 a d v a n t e c h 工 业计算机6 1 0 工控机c p u 配置为p e n t i u mi i i1 0 g i i z 内存大小为2 5 6 m m s p 4 3 0 单片机开发板 4 3 0j a t g 仿真器 d s p 运动控制卡 伺服接口板 d s p 仿真器使用闻亭公司的t d s 5 1 0j t a g 仿真 器 1 4 章节安排 全文共分为五章 内容如下 第一章绪论 介绍了工业机器人技术和机器人示教盒的相关概念 给出了本课题的研究对 象和内容 第二章机器人示教系统概述 介绍了机器人本体 示教控制系统软 硬件结构以及机器人 指令集 第三章 无线机器人示教盒的总体方案设计 介绍了示教盒控制系统的功能需求以及总体方 案的设计 第四章无线机器人示教盒的硬件设计与实现 第五章无线机器人示教盒的软件设计与实现 第六章机器人示教盒无线通信的实现 第七章调试与运行 完成与上位机 机器人本体的示教再现联调 并得出实验结论 对基 本功能的完善提出设想 第八章总结 对本课题的设计工作做出总结 3 2 2 机器人控制系统总体结构 2 2 1 控制系统硬件结构 本课题所研究的控制系统的硬件由示教盒 工控机 d s p 运动控制卡 伺服接口板 伺服驱动器和 伺服电机等6 大部分组成 主要的核心控制器是采用工控机 控制卡集中控制方式 机器人控制系统硬 件结构如图2 1 所示 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 i 繇 涵 o 山 机器人控制器 机器人本体 图2 1 机器人控制系统硬件结构 机器人控制器方面的介绍可参见文献 l o 和文献 1 1 的内容 本设计的内容主要在于工控机和示教 盒 1 工控机 工控机也就是控制系统的上位机 采用高性能工业计算机a d n t e c h6 1 0 p v n t i u mi i ic p u 2 5 6 m 内存 具有通用性和较强的工业环境适应能力 工控机完成的主要功能包括提供一个人机界面 显示运动过程数据 机器人运动性能分析 部分的 轨迹规划 为示教盒提供通讯接口 2 示教盒 4 第二章机器人示教系统概述 示教盒实际上是用户用来操作机器人的手持设备 主要功能包括两部分 其一 以用户设置的参数 控制机器人的各个运动轴来调整机器人的位置和姿态 位姿 其二 通过记录机器人的位姿信息以及 用户设定的运动方式来进行机器人示教程序的建立与编辑 本课题在原有的控制系统基础上开发了示教盒控制系统 这也是本文研究的重点 2 2 2 控制系统软件结构 在前面硬件结构的基础上进行软件的开发 机器人控制系统的软件包括运动控制卡的驱动和主控软 件两部分 为了得到一个满足控制系统功能和性能要求 可靠并易于维护的良好软件系统 采用结构化 编程方法 把系统作为一组模块集合来开发 目的是把一个复杂的任务分解成几个较小与较简短的任务 这便于程序的正确编写 把系统分成多个模块 单独编译和调试各个模块 使编程和调试变得简单方便 机器人的主控软件结构如图2 2 所示 图2 2 机器人控制系统软件结构 1 下位机程序 这部分程序属于底层程序 是用c 语言编写后 下载到d s p 运动控制卡中调试运行的 主要是一些 运动学的运算 伺服驱动器的控制以及与上位机的数据交换等程序 2 上位机程序 上位机程序用v c 编写 主要包括 人机界面 上下位机之间的通信 上位机与示教盒之间的接 口 部分的轨迹规划 插补测试 示教再现 作者主要完成的部分是上位机与示教盒之间的通信以及对数据的处理 5 东南大学硕士学位论文 实现无线通信接口板与工控机之间串口通信 并对从示教盒传过来的运动控制命令进行处理 对机 器人语言进行解释 处理对示教任务文件的操作命令 3 示教盒程序 示教盒主要是为控制系统提供一个简单方便的交互方式 通过按键来输入控制指令 也可以直接编 辑机器人示教程序 由工控机进行处理后操作机器人运转 通过显示屏监视当前运动状态 示教盒程序是用c 语言编写后 下载到示教盒主控制板和无线通信接口板的单片机中调试运行的 主要包括 键盘输入模块 液晶显示模块 菜单系统模块 文件管理模块以及无线通信模块 1 1 键盘输入模块 各种控制指令输入 文件的操作 示教的控制都是通过按键实现的 键盘输入模块对按键的中 断进行处理 根据不同的按键调用不同的处理函数 实现按键功能 2 液晶显示模块 主要负责操作界面的汉字 英文字符以及光标的显示功能 在程序编辑过程中要使字符在光标 所在的输入位置显示 3 菜单系统模块 建立一套三级固定式菜单系统 包括中文和英文两种菜单项 其中英文菜单项为机器人语言中 的指令 4 无线通信模块 完成示教盒与无线通信接e l 板之间的安全 可靠的数据通信 这是实现示教再现控制的基础 5 文件管理模块 对示教盒编辑的示教任务文件进行暂时保存管理 为文件的编辑 发送和接收作准备 这些也是本文论述的重点 将在后续章节详细介绍 2 2 j 机器人指令集 机器人语言已成为机器人技术的一个重要组成部分 机器人的功能除了依靠机器人硬件的支持外 相当一部分是依赖机器人语言来完成的 机器人语言的编写将参考著名的机器人语言如a l v a l a m l 等 设计目标为动作级语言 限于 前面师兄已完成的上位机控制软件的功能以及时间的关系 本文只是参考了现有的机器入语言的指令名 称和格式 设计的指令集和语法比较简单 包括3 条运动类指令 速度指令 插补点数设置指令等共5 条指令 需要说明的是速度指令是设定当前程序中运行所有程序步的再现速度 即在一个示教程序中只 能以一种速度运行 并且速度为高 中 低三档中的一个 没有延时指令 参考通用的编程格式 2 1 1 9 1 程序由 b e g i n 开始 到 e n d 结束 考虑到单片机的内存比较小 不能存储示教任务文件 所以没有对示教点进行精确地赋值定位 而 是通过一个 示教点插入键 直接通过上位机将当前机器人末端所在位置记录下来 同时编辑程序 1 运动类指令一共3 条分别是 m o v jp x m o v l p x m o v cp x p x l 一 功能 使机器人按照特定的方式从一个位姿运动到另一个位姿 其中 m o v jp x 为关节运动 m o v e p x 为直线运动 m o v cp x p x l 为圆弧运动 p x 是指按特定轨迹运动的示教点 三种运动都是以前 一个程序步的最后一点作为起始点 当前程序步中的示教点作为目标点 其中 关节运动和直线运动的目标 点是一个 圆弧运动的目标点是两个 2 速度指令为 s p e e dn 功能 再现速度设置 如果不设置则默认为低速 否则 n l 为高速5 0 0 r m i n n 2 为中速3 0 0 r m i n n 3 为低速1 5 0 r r a i n 需要说明的是此设置是指整个当前程序中运行所有程序步的再现速度 本系 统语言不包括延时指令 例如 s p 髓d2说明 当前再现速度设为中速3 0 0r r a i n 3 插补点数设置指令 i p n u mx x 功能 插补点个数设置 范围为1 0 9 如果不设置 则默认的插补点个数为1 0 6 第二章机器人示教系统概述 例如 脚兀m i3 2说明 当前插补点数为3 2 只在直线运动和圆弧运动中有效 本系统实现的3 类程序如下 1 多点关节运动 b e g i n s p e e d3 瑚d v jp 1 i o v jp 2 m o v jp 2 1 d 巾 2 一条直线运动 舵g i n s p e e d2 i p n u m1 6 m o v jp 1 如v lp 2 e n d 3 一条圆弧运动 g i n s p e e d1 i p n u m3 2 m o v jp 1 帕v cp 2 p 3 啪 2 3 本章小结 说明 p 1 为关节运动起始点 p 2 为目标点 最多2 l 步 说明 p 1 为直线运动起始点 p 2 为终点 说明 p 1 为圆弧运动起始点 p 2 为中间目标点 p 3 为终点 本章主要介绍了本课题所研究的机器人示教系统的总体结构 简单介绍了机器人的机械本体结构 较详细地描述了机器人控制系统的总体结构 包括硬件 软件以及机器人指令集三个方面 了解机器人 的本体 控制系统的软硬件结构是开发示教盒的基础 本章是为后续章节示教盒的设计作准备 7 东南大学硕士学位论文 第三章无线机器人示教盒的总体方案设计 3 1 机器人示教作业方式的概念 机器人本来应该能在无人干预下进行自主运动 但是 现阶段的机器人还没有达到这个水平 为了 让机器人完成人们所希望的运动 必须预先设计机器人的运动过程和完成这些运动过程的先后顺序 这 和计算机中程序设计的概念是一样的 人们使用 种形式语言来描述机器人的运动 这种形式语言叫做 机器人语言 r o b o tl a n g u a g e 此外 如果把机器人各个关节的角度用多通道记录仪记录下来 然后根 据所记录的信号让机器人再现与这个关节角度一样的动作 从而实现人们对机器人的要求 这个过程很 像录音机在录制完声音后再重放这种声音的过程 这种方式在机器人技术中叫作示教再现 t e a c h i n g p l a y b a c k 嘲1 1 3 要求机器人完成某种动作和某些作业时 需要赋予机器人多种信息 这些信息大致可以分为三类 1 机器人位置和姿态方面的信息 描述机器人的动作轨迹和定位点等的信息 2 机器人动作顺序的信息 关于机器人动作的执行顺序信息 与机器人外部设备同步的信息等 3 机器人动作的状况和机器人进行作业时附加条件的信息 机器人动作的速度和加速度等信息 和作业内容信息等 1 示教方式主要有两种 分别为手把手示教和示教盒示教 手把手示教的方式是目前大多数机器人所采用的方式 这是一项成熟的技术 易于被熟悉工作任务 的人员所掌握 而且用简单的设备和控制装置即可进行 但由于这种示教方式要求操作人员近距离直接 接触机器人本体 随之就带来一些问题 比如机器人只能在人所能达到的速度下工作 不能用于某些危 险情况 在操作大型机器人时 这种方法不实用等 示教盒示教的方式就可以解决部分问题 利用装在控制盒上的按钮可以驱动机器人按需要的顺序进 行操作 在示教盒中 每一个关节都对应一对按钮 分别控制该关节在两个相反方向上的运动 有时还 提供附加对最大允许速度的控制 操作者通过示教盒操作 控制机器人运动到不同位姿 当机器人到达 用户想要的位姿点时记录该位姿点的坐标 这就完成了位姿点的示教 然后利用机器人语言对该位姿点鳓 进行在线编程 包括动作顺序信息以及动作状况信息 完成机器人示教程序的编制 图3 一l 为示教方 法的操作控制流程简图 1 1 1 信息显示关节信息 图3 1示教盒示教方法法操作流程图 3 2 机器人示教盒的总体功能需求 示教盒是用户操作机器人的手持设备 操作人员可以通过该设备设置机器人的各种运行参数 控 制机器人的各个运动轴来调整机器人的位置和姿态 通过记录机器人的位姿信息以及用户设定的运动 方式来编辑机器人运动程序 在完成示教操作后可以对生成的程序进行编辑 修改和保存 需要再现 时 可以把已保存的程序调出来使机器人完成特定的操作 因此 示教盒必须提供友好的人机交互界 8 第三章无线机器人示教盒的总体方案设计 面 语言编辑环境及与控制器的信息传输 3 3 机器人示教盒的功能设计 示教盒主要实现的功能是机器人运动的示教和再现 因此将对示教盒的操作划分为如下两种模式 1 示教模式 在示教模式下 用户可以控制机器人按指定方式进行运动 同时完成示教程序的编辑 具体功能 划分如下 文档功能 由于单片机的数据存储空间有限 为了能够存储更多的示教程序 示教盒把编辑完成的 程序以及程序列表上传到上位机并以文件的形式保存在工控机硬盘中 这种方法实际上是通 过增加少量的代码换取了示教盒的硬件开发成本 充分利用工控机硬盘的海量存储空间 提 高了资源利用效率 既然是以文件的形式进行存储的 相应的文件操作如新建 打开 保存 删除等是必需的功能 其中 打开 保存和删除操作是在返回列表后通过输入文件序号来完 成的 程序编辑功能 示教过程本身可以看作是一个程序的编写过程 因此编辑功能是最基本的要求 操作人 员可以通过光标方向键来确定需要编辑的位置 确认键用于增加行 退格键用于删除单个字 符 利用数字键和功能菜单来修改运动方式及参数设置等 由于程序编辑所需指令比较复杂 但都是固定的字母组合 而且考虑到以后的扩展 因此通过菜单功能键直接插入 以实现方 便快捷的编程方式 示教功能 示教的主要任务是采集机器人运动轨迹的基点 通过按键打开伺服 用户可以根据一定 的作业顺序 使用示教盒提供的1 2 个方向手动进给 点动机器人按键 控制机器人运动 在到达指定点后 可以通过 插入示教点 键记录当前示教点的位姿信息 在示教过程中还 可以改变示教的速度 这也是相对于手把手示教方式的优点 显示功能 示教盒提供任务状态区 运动状态区 程序编辑区 菜单区等四个显示区域 通过屏幕 用户可以了解机器人的工作模式 任务信息 运动速度 以及机器人运动过程中的点位信息 等 使用户了解机器人的运动状态 是实现示教程序编辑功能的前提 2 再现模式 在再现模式下 用户可以将已编辑好的示教程序打开 利用键盘上提供的再现功能键完成预期的 工作 再现过程中如果出现意外的情况 可以通过 急停 键让机器人立即停止运动 再现过程结束 后 可以通过 复位 按键使机器人回到原始位置 为后续的操作做准备 另外 整个机器人控制系统的核心控制器是由工控机和运动控制卡组成 但运动控制卡没有串口 或u s b 口引出 因此 示教盒必须实现与工控机进行可靠地通信 通过与工控机的软件接口来完成示 教再现控制 本文在示教盒的功能设计方面主要参考了文献 9 中这套教学机器人示教盒的设计思想 如文档功 能 程序编辑功能 示教功能 显示功能 中文菜单化的界面 键盘布局等 当然 文献 9 中的示教 盒属于高档的控制器 采用了嵌入式p c 1 0 4 模块作为c p u 高性能的f l a s h 磁盘d o c 作为文件存 储介质 大大简化了编程 提高了示教盒的性能 而本文所论述的示教盒采用单片机控制 内存有限 在文档功能和程序编辑功能方面相比简单 但编程困难 然而 本系统也有一些特点 如在通信方式 上采用短距离无线通信方式 使得操作更加安全 方便等 9 东南大学硕士学位论文 3 4 机器人示教盒的功能结构设计 根据以上两节中对示教盒功能需求的描述 对机器人示教盒的功能结构做出基本的设计 示教盒 的功能结构如图3 2 所示 r 一 一 一 一一 ii 厂 一 ii l i i 一 j 图3 2 示教盒系统功能结构图 从示教盒系统功能结构图可以看出 整个系统由三个部分组成 一部分是示教盒系统 主要由中 央处理器 电源模块 指令输入模块 界面显示模块和无线通信模块组成 操作人员通过指令输入模 块对机器人进行手动示教和编辑示教程序 示教程序以及机器人运行状态通过界面显示模块显示给操 作人员 中央处理器对指令和数据进行处理后通过通信模块与主控制系统进行信息交互 另一部分是 主控制系统 包括由工控机和d s p 运动控制卡组成的主控制器 最后一部分是机器人本体 主控制器 接收示教盒系统传递的信息 并对数据进行处理从而控制机器人各关节进行动作 机器人动作过程中 一 会不断反馈状态信息传递回示教盒系统进行显示 因为主控制系统的硬件平台已经由前面师兄搭建完成 以下章节节将着重介绍示教盒系统各个功 能模块的设计 3 4 1 中央处理器的选择 中央处理器是机器人示教盒系统的核心部件 它协调各个功能模块进行工作 包括响应按键中断 读取按键键值 设置液晶驱动 处理显示数据 控制与上位机的通信等 所以在选择中央处理器时应 考虑本系统的如下特点 1 对按键的即时响应 要求处理器具有较高的运算速度 2 程序编辑和文档功能 要求系统具有较大容量的存储空间 3 便携仪器采用电池供电 要求系统的功耗不能太大 根据系统的特点和目前的市场情况来说 示教盒的处理器通常采用的是5 l 系列单片机 这个系列 的单片机开发较早 产品应用广泛 市场占有率很高 因此技术资料比较成熟和丰富 但这个系列的 单片机大多为8 位处理器 其指令采用的是被称为 c i s c 的复杂指令集 存储空间较小 需要另外 扩展 大多不支持在线编程 增加了开发成本 延长开发周期 电源电压为5 v 功耗也比较大 不适 合长时间的电池供电 另外 一些高端的示教盒的处理器多采用嵌入式单板机p c 1 0 4 模块来开发 单 板机与单片机相比具有很多优点 它具有较强的数据处理能力 可以选配各种不同的通信方式完成与 1 0 第三章无线机器人示教盒的总体方案设计 主控计算机之间的通信 省去了设计通信电路的工作 不需要编程即可实现文件存储功能 但是单板 机的开发成本较高 不适合实验室的初期研发 需要对嵌入式操作系统进行系统地学习 增加了开发 难度 结合本系统的特点 经过以上各种方案的比较 本系统最终选择了美国t e x a si n s t r u m e n t s t i 公 司开发的m s p 4 3 0 系列的1 6 位单片机 这个系列的单片机的超功耗特点非常适合手持式仪器的开发 t i 公司凭借其出色的超低功耗技术获得了全球微控制器市场2 0 0 4 年度技术创新奖 它具有的主要特 点描述如下i i 卅 1 低电压 超低功耗 m s p 4 3 0 系列单片机的电源电压采用1 8 3 6 v 低电压 灵活的时钟使用系统具有5 种低功耗模式 以适应不同的需要 在实时时钟处于工作状态时 该系列正常待机的耗流量可低至0 8ua 并且 m s p 4 3 0 具有完全同步的高速系统时钟 c p u 从低功耗模式被唤醒 这个过程最多只需要0 61 1s 因 此在某些需要迅速作出反应的应用中 c p u 能够及时退出低功耗模式 进入工作模式 在只有r a m 数据保持的低功耗模式下 m s p 4 3 0 系列单片机的工作消耗电流只有lpa 8ua 实时时钟模式 2 5 0 l ia m i p s 工作状态 2 强大的处理能力 m s p 4 3 0 系列单片机是1 6 位单片机 采用先进的r i s c r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r 结构 具有丰富的寻址方式 包括7 种源操作数寻址方式 4 种目的操作数寻址方式 以及简洁的2 7 条内核 指令与大量的模拟指令 此外 大量的存储器及片内数据存储器都可参与多种数据运算 采用高效的 查表处理方法 保证了其较高的处理速度 并且系统工作稳定 处理速度较快 当采用8 m h z 晶振时 指令周期为1 2 5us 另外 该系列某些型号采用了硬件乘法器 大大地增强了数据处理能力和运算能 力 3 丰富的片内外设及其多样化的组合 m s p 4 3 0 系列单片机具有丰富的片内外设 如看门狗 定时器a b 比较器