机器人手臂的机械结构和机电设置

1、【摘要】机器人学是一门边缘学科，它涉及电子精密机械、空间机构学、操纵动力学、人机工程学等的一门系统工程。本人在已有的机器人手臂的机械结构和机电设计的基础上，基于Motorola公司的DSP56805I片机及PC机设计并实现了机器人臂部多关节控制系统。设计以MOTORO如生产DSP5680弹片机为核心，设计了机器人臂部关节控制节点的硬件电路，并在此基础上利用C语言编制了机器人臂部关节的DSP空制程序，控制算法中采用了经典的PID控制算法，论文中采用了一种用Matlab模拟仿真来近似确定PID控制参数(KpKi、Kd)的方法。最后进行了系统程序、硬件仿真调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行。

2、所以机器人设计是符合要求的。关键词：控制节点、PID控制算法、PID控制参数、DSP56805Matlab、VC6.0Title:RoboticArmsIntelligentControlSystemAbstractTheroboticsisanedgecourse,itinvolvestheprecisemachine,thespaceorganization,manipulatedthedynamics,personwithmachineengineeringlearnsasystemengineeringofetc.Ongivenfoundationofanelectricshockth

3、edesignatthemachinestructureandmachinesoftheroboticarms,IhavebeenupandcarriedoutamanyjointsoftheroboticarmscontrolsystemalsoaccordingtoasinglechipofDSP56805andthePCmachinedesignsofthecompanyofMotorola.Thedesignofthesis'nuclereistheMotorolacompanyproducesasinglechipofDSP56805,designedajointofther

4、obotarmtocontrolthehardwaretelephoneofthenodalpoint,andmakeuseoftheDSPcontrolprocedurethattheClanguagedrewupajointoftherobotarmonthisfoundation,adoptingthePIDcontrolcalculatewayoftheclassicinthecontrolcalculateway,adoptinginthethesisakindofwiththemethodthattheanalogsimulationofMatlablookslikethecert

5、ainPIDcontrolparameter(Kp,Ki,Kd).Carriedonthedebuggingofthesystemprocedureandthehardwaresimulationfinally,theresultshow:Thisdesignaboutsystemofthesoftwareandthehardwaredon'tonlygo,butalsoisreasonable.Sotheroboticdesignmeetstherequest.Keywords:Controlthenodalpoint,thePIDcontrolcalculateway,PIDcon

6、trolparameter,DSP56805、Matlab、VC6.0目录1绪论11.1 项目背景及意义11.2 方案论证22机器人的机械结构介绍31 机器人的一般神经网络结构图31 机器人的臂部机械结构41 机器人的臂部关节电机分布图41 小结53PID算法介绍及位置控制算法6PID算法简介6比例运算放大电路6积分运算电路7微分电路7PID调节电路7电机物理模型8实际电机的开环阶跃响应9开环系统模拟仿真17闭环比例控制模拟仿真18闭环比例微分控制模拟仿真20闭环比例微分积分控制模拟仿真22PW喻介25本章小结254智能机器人手臂设计硬件电路图设计26拟人机器人臂部电机及电机驱动电路26驱动电

7、路的功能介绍说明27MC33035E刷直流电机控制器概述27MC33035fe刷直流重机控制器的工作原理29MC33039t子测速器概述30MC33039t子测速器的工作原理31三相全波六步无刷直流电动机闭环速度控制电路31臂部节点硬件电路分析32臂部节点硬件资源分配33臂部节点电路设计36电源电路设计36滤波电路、时钟电路、复位电路设计38DS脸口电路设计38电机控制接口电路设计41本章小结425拟人机器人机器人臂部关节节点软件设计43臂部节点软件功能概述43臂部节点软件流程43初始化模块44主循环模块45控制曲线规划模块46PID模块48臂部节点软件编程50静态配置50IO端口操作51中断

8、服务程序52本章小结52致谢53参考文献54附录A55附录B56附录C65第一章绪论项目背景及意义机器人是上个世纪中叶迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，在发达国家，工业机器人已经得到广泛应用。随着科学技术的发展，机器人的应用范围也日益扩大，遍及工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗健康等领域。浸入21世纪，人们已经愈来愈亲身感受到机器人深入产业、深入生活、深入社会的坚实步伐。拟人机器人(HumanoidRobot)更是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动与动力学、现代设计理论、信息检测和感知、微电子学、控制理论等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系

9、统。它涉及多种学科的内容。下图1-1为下载的拟人机器人的雏形。图it拟人机器/$六：一机器人的核心是控制系统。机器人的先进性和功能的强弱通常都直接与其控制系统的性能有关。手臂是拟人机器人的重要执行机构，在整个拟人机器人中起着重要的作用。单独的手臂本身也是一个机器人，如目前应用非常普遍的工业六轴机器人实质就是一个拟人的手臂。如果不考虑手臂与其他部分的协调问题，本论文中的控制对象就是一个工业六轴机器人。方案论证机器人系统有许多控制方法。例如PID,模糊控制，自适应控制等。模糊控制和自适应控制的精度很高。是现代控制领域中应用广泛的控制方法，尤其是在军工领域和航天领域中。PID控制是最基本的控制方法。

10、它的控制方法与前两种相比不高。但在要求不高的情况下大多采用PID控制算法。在大多数领域中一般可将几种控制方法结合使用，达到性能价格的最优组合。由于本次设计所做机器人的要求不高，并且工作环境也是在正常环境中，所以本文的设计思路也是采用经典控制理论中的PID控制。PID控制有很强的实用性。它对系统的调节即可达到快速敏捷，又可达到平稳准确，只要三项作用的强度配合适当，便可得到满意的调节效果。本设计采用的PID控制为转速、电流双闭环调速系统。大部分的电机控制调速系统大多采用这种方式。首先它运行稳定。外环控制转速，转速调节的作用时对转速的抗干扰调节并使之在稳态时无静差，其输出限幅值决定允许的最大电流；在

11、内环控制电流，电流调节器的作用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压第二章机器人的机械结构分析2.1机器人的一般神经网络结构图机器人是一个高度协调的系统，其完成的每一个动作都是整个系统中所有元素配合工作的结果。它的身上有很多电机和传感器，这些电机和传感器在底层由本文所设计的控制节点控制着，但是孤立的节点是没有意义的，必须要将机器人身上所有的节点连接起来构成一个控制网络，使得所有的节点都在机器人的“大脑”的统一支配下。这样一个网络好比人身体里的神经，将大脑的指令传达给“肌肉”，同时将感觉到的信息送给大脑。在这样一个体系下，每个节点必须实时和上位机打交道，获取指令，上传数据，这样对通讯协议就有了速度和可靠性的要求，大多数机器人设计选择了CAN总线作为全身的神经系统。头部一节点，CAN总线皙部节点免凿粒文冏第二章机器人的机械结构分析机器人的一般神经网络结构图机器人是一个高度协调的系统，其完成的每一个动作都是整个系统中所有元素配合工作的结果。它的身上有很多电机和传感器，这些电机和传感器在底层由本文所设计的控制节点控制着，但是孤立的节点是没有意义的，必须要将机器人身上所有的节点连接起来构成一个控制网络，使得所有的节点都在机器人的“大脑”的统一支配下。这样一个网络好比人身体里的神经，将大脑的指令传达给“肌肉”，同时将感觉