58提高串聯(lián)機械臂運動精度的關(guān)鍵技術(shù)研究
本文關(guān)鍵詞:提高串聯(lián)機械臂運動精度的關(guān)鍵技術(shù)研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制;完成其關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃,將各關(guān)節(jié)變量值傳輸至;圖3.14串聯(lián)機械臂控制框圖;為了實現(xiàn)機械臂末端執(zhí)行器的精確定位,采用直流伺服;第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制;圖3.15機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu);機械臂控制系統(tǒng)主控制器采用平望科技公司提供的3.;伺服控制級的核心是美國DELTATAU公司研發(fā)的;采用Cople
第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制
完成其關(guān)節(jié)空間內(nèi)的軌跡規(guī)劃,將各關(guān)節(jié)變量值傳輸至多軸運動控制卡,控制各個關(guān)節(jié)電機驅(qū)動器,實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的位置伺服控制,從而完成給定的目標任務(wù)。
體
圖3.14串聯(lián)機械臂控制框圖
為了實現(xiàn)機械臂末端執(zhí)行器的精確定位,采用直流伺服電機、可編程多軸運動控制卡(Programmablemultipleaxiscontroller,簡稱PMAC)和基于CAN總線的嵌入式計算機構(gòu)建機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)如圖3。15所示。六自由度串聯(lián)機械臂控制系統(tǒng)采用雙微機分層控制方式,上層為規(guī)劃控制級,由嵌入式計算機負責系統(tǒng)管理、運動學計算、軌跡規(guī)劃、主控邏輯等。它通過CAN總線與下層伺服控制級的多軸運動控制器等模塊通信。下層為伺服控制級,它主要由多軸運動控制器、直流伺服電機驅(qū)動器及通信接口組成。其中,多軸運動控制器與直流伺服電機驅(qū)動器一起完成直流伺服電機的位置、速度、力矩的閉環(huán)控制,實現(xiàn)了機械臂關(guān)節(jié)運動的實時控制。采用CAN總線接口讀取并傳輸電機編碼器的初始值。為提高嵌入式PC與PMAC卡之間數(shù)據(jù)交換的速度,采用雙端口RAM作為嵌入式PC與PMAC通訊的高速緩沖區(qū),可將嵌入式PC內(nèi)存中的軌跡規(guī)劃的數(shù)據(jù)下載到PMAC,或?qū)㈥P(guān)節(jié)位置的信息和伺服單元的狀態(tài)信息傳輸至嵌入式PC?刂葡到y(tǒng)采用開放式控制結(jié)構(gòu),配備了多種網(wǎng)絡(luò)接口,可通過CAN總線與老人服務(wù)機器人的視覺、底盤、語音等其它單元通訊。由于機械臂的系統(tǒng)架構(gòu)具有控制系統(tǒng)開放及層次耦合少等優(yōu)點,它既可以作為獨立的串聯(lián)機械臂系統(tǒng),也可以通過通訊接口擴展為服務(wù)機器人的執(zhí)行單元。55
第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制
翟
圖3.15機械臂控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
機械臂控制系統(tǒng)主控制器采用平望科技公司提供的3.5英寸嵌入式工控主板,它采用凌動N270處理器,配備了多種的開放式接口。采用直流12V和5V供電,功耗較低,穩(wěn)定性較高。主控制器采用windowsXP作為操作系統(tǒng),可方便安裝PMAC卡的驅(qū)動程序及動態(tài)鏈接庫。
伺服控制級的核心是美國DELTATAU公司研發(fā)的可編程多軸運動控制器。它是基于DSP的多軸、多通道的運動控制器,同時具備PLC控制、數(shù)據(jù)采集等功能。它的優(yōu)勢在于編程簡單、響應(yīng)速度快、開發(fā)周期短且準確度高。選用的TurboPMACClipper控制器功能齊全,結(jié)構(gòu)緊湊,性價比高。它采用TurboPMAC2.CPU處理器,并提供四軸伺服或步進控制。PMAC提供的執(zhí)行軟件為Pewin32pro,支持win98,win2000,winXP系統(tǒng)。它提供動態(tài)鏈接庫Pcomm32pro,支持VC、C++開發(fā)或調(diào)用動態(tài)鏈接庫的函數(shù),完成運動控制器參數(shù)修改、執(zhí)行任務(wù)文件下載等功能。
采用Copley公司生產(chǎn)的ACJ.055.18直流電機伺服驅(qū)動器完成電機的速度控制和電流控制,該伺服驅(qū)動器配備多種信號接口,如CAN總線接口模塊,用于獲取電機編碼器的信號的反饋接口,以及用于接收多軸運動控制器傳輸?shù)目刂菩盘柕男盘柦涌。機械臂的執(zhí)行單元為Maxon直流伺服電機。其實物測試圖如圖3.16所示。56
實現(xiàn),系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及各個任務(wù)模塊如圖3.17所示。速運算功能實現(xiàn)軌跡插補、運動伺服控制等任務(wù)。每個任務(wù)采用各自對應(yīng)的線程改,,機械臂手動操作等任務(wù)。下位機軟件利用PMAC自身語言開發(fā),利用其高C++6.0進行開發(fā),主要完成軌跡規(guī)劃、機械臂運動學計算、參數(shù)設(shè)置與修Visual設(shè)計,分為上位機功能模塊和下位機運動計算模塊部分。上位機功能模塊采用XP作為操作系統(tǒng)?刂栖浖捎媚K化機械臂控制軟件開發(fā)使用Windows3.4.2串聯(lián)機械臂系統(tǒng)軟件設(shè)計圖3.16電機控制測試現(xiàn)場第三章機械臂運動軌跡規(guī)劃與控制系統(tǒng)研制57偏置、扭角、質(zhì)心位置、慣量等參數(shù)。設(shè)定各關(guān)節(jié)的電機編碼器初始值、電機的參數(shù)初始化模塊:在程序里輸入六自由度機械臂連桿參數(shù),包括連桿長度、圖3.17機械臂控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖
額定參數(shù)、參數(shù)限制等。編寫多軸運動控制器初始化程序。
逆運動學計算模塊:基于連桿D.H參數(shù)建立機械臂的正運動學方程和逆運動學方程,用C++語言編寫運動學求解的數(shù)學運算。將在笛卡爾空間描述的操作任務(wù)轉(zhuǎn)換至關(guān)節(jié)空間,采用向量記錄關(guān)節(jié)空間的關(guān)節(jié)位置序列。
軌跡規(guī)劃模塊:建立笛卡爾空間下末端執(zhí)行器的直線、圓弧位置軌跡。計算每段軌跡最優(yōu)的執(zhí)行時間,采用五次多項式插值函數(shù)完成關(guān)節(jié)空間的位置、速度和加速度的軌跡規(guī)劃。
通訊模塊:確定嵌入式PC與視覺系統(tǒng)及下層PMAC卡的數(shù)據(jù)通訊方式,并設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則。完成通訊端口初始化,分配節(jié)點地址、定義數(shù)據(jù)傳輸類型、信息類型及信息格式。
機械臂在執(zhí)行任務(wù)時,采用通訊模塊時時偵聽視覺模塊傳遞的數(shù)據(jù)并進行任務(wù)判斷,確認任務(wù)后,通過軌跡規(guī)劃模塊、逆運動學計算模塊完成機械臂各關(guān)節(jié)的軌跡運動參數(shù)計算。將各參數(shù)傳輸至PMAC卡后,控制伺服驅(qū)動器,實現(xiàn)機械臂各關(guān)節(jié)電機的伺服控制。機械臂控制系統(tǒng)軟件程序流程圖如圖3.18所示。58
圖3.18機械臂控制系統(tǒng)軟件程序流程圖
3.4.3控制系統(tǒng)通信方式
機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計中,采用PCI04總線實現(xiàn)機械臂控制系統(tǒng)的嵌入式PC與運動控制卡之間的高速通訊。由于機械臂控制系統(tǒng)需要獲取視覺系統(tǒng)提供的目標物體位姿信息才能完成目標操作,因此需要解決控制系統(tǒng)與視覺模塊之間的通信問題。
傳統(tǒng)的機器人系統(tǒng)中往往采用基于點對點連接的集中式通信方法。該方法結(jié)構(gòu)簡單,在傳感器和執(zhí)行器數(shù)量較少的控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。但是由于本文設(shè)計的串聯(lián)機械臂的控制變量較多,而且對控制精度要求較高,傳統(tǒng)的集中式通信方法布線復雜,導致系統(tǒng)難以維護,可靠性和靈活性較低。因此,采用現(xiàn)場總線技59
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