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移传感器,则可能使传感器冗余配置,造不必要的浪费.因此,操纵器的结构设计必须针对确定的控制结构.刚体动力学逆问题是机构动力分析,动态设计和控制器参数整定的理论基础.已知动平台的运动规律.求解铰内力和驱动力,相应的建模方法有牛顿-欧拉法,拉格朗日方法,虚功原理,Kane方程等利用雅克比和海赛矩阵建立操作空间和关节空间速度和加速度的映射关系,并根据此关系构造各运动构件的广义速度和广义惯性力串,并联机构通常是非线性,强耦合,变参数的非线性多变量时变系统采用传统的控制系统设计方法很难满足控制要求例如,对于多自由度的操纵器,动态结构复杂,各自由度互相影响,非线性因素干扰,对其进行补偿的控制算法非常复杂,难以实现实时控制.因此,在操纵器结构设计时,尽量采用机械上解耦,运行过程中惯性保持不变的机械结构.通常,在操纵器的动态方程中,惯性力矩与关节加速度呈线性关系,在力控制算法中较容易实现,而离心惯性力矩和哥氏惯性力矩与关节加速度呈非线性关系,给操纵器的力控制算法带来困难,同时对力觉反馈信息产生干扰,必须在机械结构上采取技术措施加以解决.研究解决非对称特性,变负载和交联耦合干扰的控制策略是操纵器驱动系统研究中的重要内容,神经网络,自适应控制,预测控制,H∞鲁棒控制,智能控制,变结构控制等现代控制理论和方法将为此类问题的解决提供有效途径[12].
第三章遥控器控制系统分析
目前,大多数远程机器人的控制系统可分为两个独立的控制系统,即主手控制系统和从手控制系统.两个系统之间通过通信线路(有线或无线)连接,以传输力,位置等信息.主手控制器是远程机器人主手控制系统的核心,它的性能直接影响信息传输的精度和实时性.本文研制的主手控制器是一个能够独立使用的设备.它不依赖于用户的机器,也不与用户机器构成上下位机的关系.它提供关节空间数据和笛卡尔空间数据,根据通用型主手控制器的要求,主手控制器要完成主手各关节信号的采集与传输,将从手与作业环境的作用信息传递给主手,以及其它控制信号的传输.由图3-1可以看出,主手各关节信号由关节信号采集模块采入,由微处理器处理后,经通信模块传输给计算机,从手的力/力矩信息经力反应驱动模块分配到主手的相应关节上,使操作者感受到力反应,其它控制指令经辅助指令模块进行传输[13].
3.1通信模块
这是系统之间数据传输的媒介.通信的方式有多种,可以采用无线通信或有线通信.有线通信可以采用RS-232C,RS-485,IEEE-488及USB总线等.为了使设计的主手控制器具有较强的通用性及使用上的方便性,在设计中采用了USB总线传输数据.接口卡的主要功能是将各种需要经过计算机处理的信号预先进行处理,并且提供标准的接口,以方便接驱动电路或扩展电路.计算机通过D/A转换,输出模拟量电压,再经功率放大器控制电机的转动.接口卡里面包含有单片机,用于接收处理编码器发出的脉冲.同时还根据反馈回来的力参数,由编好的程序实现对力矩电机的控制.根据需要,还会有一些扩展芯片.其中还包括各种电平转换电路,功放电路等.本文中单片机系统与计算机之间的通信接口采用RS-485串行通信接口.
3.2关节信号采集模块
主要完成各关节位置,力信号的采集,滤波,经A/D转换后送入微处理器进行处理.其中最主要的是位置检测模块,主要功能是将主操作手做出操作后的位置参数传给前方的从操作手.在这个系统中,主要的位置参数是角度参数.编码式数字传感器是测量转轴角位移的最常用的检测元件,它具有很高的分辨率,测量精度和可靠性.给每个自由度配备了一个编码器,通过对6个方向的角度控制,实现从操作手的精确定位.编码式数字传感器直接输出多位二进制代码,因而便于对测量数据进行处理.在一个圆形玻璃盘的边缘开有相等角距的缝隙,成为透明和不透明的码盘,在此码盘开缝的两边,分别安装光源及光电元件.当码盘随被测物体的工作轴转动时,每转过一个缝隙,光电元件所获得的光强就发生一次明暗的转换,光电转换电路就产生一定幅值和功率的电脉冲输出信号.将这一脉冲信号送加法计数器进行记数,则所计数码就等于码盘转过的缝隙数目,在缝隙之间的角度已知时,码盘(被测物体)所转过的角度也就确定了.这些角度参数经过接口模块里的单片机处理后再传输给中央处理单元,再传输给前方的从操作手.
3.3力反馈模块
力反馈系统是整个力反馈遥控器中相当重要的一个模块,其主要功能是将从操作手反馈过来的力信号转换成操作者可以直接感受到的信号.这种我们可以感受到的信号一般是指震动.电动机作为一种执行机构,通常都是转速较高而转矩较小的,因此在系统中拖动负载时,都需经过齿轮减速装置,然而由于齿轮的误差,使系统的精度降低,为了消除误差和提高系统的精度及稳定性,发展了一种力矩电动机.在力反馈系统中,我们采用力矩电机来实现这种震动.
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从操作手根据主操作手发出的位置指令做出相应的运动后,其传感器会把所感受到的阻力等力信息反馈回主操作手.我们只有根据这种反馈力的大小才能做出下一步控制决策.
3.4辅助指令模块
主要是一些控制信号的传输.这些数字量由设备或主机发出,可以用来控制设备的运行或显示设备所处的状态.如本文设计的遥控器,可以完成整体和部分运动的切换,当主手柄母键按下时为机器人顶端的运动,当选择了个体关节键时,为控制个体的单一运动.
第四章力反馈遥控器硬件设计
在设计机器人的过程中,控制方案的选择是一个至关重要的环节.因为一个好的控制方案不仅可以实现我们要求的动作,同时还可能使系统的整体性能得到提升.控制系统的控制方法一般有三种:一,机械控制,二,PLC控制,三,单片机控制.
机械控制是利用各种机械元件组成的控制系统,它也能够达到想要的控制效果,而且控制精度很高.但是结构复杂,效率低,也会导致整个遥控器体积庞大.目前一般是不太采用这种控制方案.
PLC是专为工业自动化设计的,在控制电路这一块,功能的强大是前两者无法比拟的,通过多种多样的扩展模块,使外部接线量小,内部工作性能的可靠性高,易学易懂,虽然单个CPU贵,但性价比是最高的单片机系统具有成本低,效益高的优点,但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定,可地运行.稳定性和抗电磁干扰能力
4.1USB接口系统
4.1.1USB总结拓朴结构
USB总线体系一般分为主机,集线器和UBS设备三部分.UBS的物理连接是一种层状星形拓朴结构,其根部是主控制器,UBS设备可以直接与根部集线器连接.若多个USB设备同时连接到主控制器上,可以用集线器扩展.整个USB系统只允许有一个主机.主机可以看作是硬件,固件和软件的结合体,是USB通信的中心[15].它控制和连接各个器件,是唯一可以利用系统资源的部件.主机的主要功能如下:
·检测USB设备的安装和拆卸
·管理在主机和UBS设备之间的控制流
·管理在主机和UBS设备之间的数据流
·收集状态和动作信息
USB设备是带有UBS接口并可以完成特定功能的外设,它通过UBS总线进行发送/接收数据和控制信息.每个USB设备都包含用来描述该设备的性能和所需资源的配置信息.在使用UBS设备之前必须由主机对它进行配置.配置信息包括UBS带宽分配,为该设备所选定的配置选项等.
4.1.2USB接口芯片选取
USB接口设计中通常有三种芯片选择方案.第一种是选用USB低层芯片,它是针对USB接口开发的专用微处理器,完全按照USB协议设计.例如Cypress公司的CY7C63XXX系列.由于这些微处理器的结构不同于其它常用控制芯片,开发者必须深入了解它的系统结构和USB低层协议,因此,开发周期长,开发难度大.第二种方法是采用微处理
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