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基于LM629的机器人单关节控制器设计.doc
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基于LM629的机器人单关节控制器设计.doc
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摘 要
近年来随着人工智能技术、计算机技术以及网络技术等相关技术的飞速发展,
机器人在各个领域已经得到了广泛的应用,成为了一类关键的基础装备。机器人
单关节控制器是机器人的重要组成部分,每个完整的机器人控制系统都是由单个
的机器人单关节控制器所组成,因此机器人单关节控制器对机器人控制系统起着
决定性的作用。
LM629 是美国国家半导体公司生产的可编程全数字精密运动控制芯片,内置
PID 算法和梯形图发生器能够自动生成速度曲线,平稳地加速、减速。本文采用
LM629 精密运动控制芯片、AT89C51CC03 单片机和少量的驱动电路构成了基于
LM629 和 CAN 总线的机器人单关节控制器。实验表明,由 AT89C51CC03 和 LM629
建立的 CAN 总线的机器人单关节控制器,不仅简化了机器人控制系统软、硬件设
计,提高系统可靠性,减轻设计工作量,而且提高了系统性能,具有反应快,控
制精度高、实时性能好等优点。
通过对机器人单关节控制器的软硬件设计和反复的调试,所制作的机器人单
关节控制器已经初步完成了预定的功能。AT89C51CC03 单片机对 LM629 进行控制
和初步的数据处理,通过 CAN 现场总线与主机或其他设备进行实时通信,可以组
成现场总线控制系统。
在本次毕业设计中完成了机器人单关节控制器的设计制作及软件系统的设
计调试。
关键词 LM629 运动控制器 51 单片机 CAN 总线
Title Design of Simplex Articulatory Controller of Robot Based on LM629
Abstract
In recent years, with correlation technology, artificial intelligence technology, computer
technology as well as networking rapid development, robot has already obtained
application widespread in each domain and become a kind of essential foundation
equipment. The simplex articulatory controller of robot is one of the most constituent of
robot. Each complete control system of robot is composed by the simplex articulatory
controller of robot. Therefore, the simplex articulatory controller of robot is playing the
decisive role in the control system of robot.
LM629 is a programmable control chip of precise movement which produced by
Semiconductor Company in USA. It contains the PID algorithm and the trapezoidal chart
generator which can produce the velocity curve automatically, acceleration and
deceleration steadily. This article used the LM629, AT89C51CC03 and a few actuation
electric circuits to constitute the simplex articulatory controller of robot based on LM629
and CAN bus. The experiment indicates the simplex articulatory controller of robot which
is made up by AT89C51CC03 and LM629 can simplify design of the robot control system
of software and hardware, enhance reliability of the system, reduce work load of the design.
It has merits including respond quickly control precision high, real time and so on.
By the debugging repeatedly and design of software and hardware, the simplex articulatory
controller of robot has already completed the predetermined function initially. The
AT89C51CC03 carries on the control and the preliminary data processing to LM629,
carries on the real-time communication through the CAN bus and the main engine or other
equipment, may compose the field bus control system.
It has completed manufacture of the simplex articulatory controller of robot and debugging
of the software system in this project.
Keywords LM629 movement controller 51 MCU CAN bus
目 次
1 绪论..................................................................1
1.1 机器人单关节控制器的研究背景及应用..................................1
1.2 机器人单关节控制器研究现状..........................................2
2 机器人单关节控制器的主体设计..........................................4
2.1 机器人单关节控制器的总体设计........................................4
2.2 机器人单关节控制器的方案论证........................................5
2.3 机器人单关节控制器的组成............................................8
3 LM629 运动控制器选择 ..................................................9
3.1 LM629 的特点 ........................................................9
3.2 LM629 的操作理论 ....................................................9
3.3 LM629 读和写操作 ...................................................11
3.4 旋转编码器接口.....................................................12
4 CAN 现场总线 .........................................................13
4.1 CAN 通信协议 .......................................................13
4.2 CAN 控制器配置 .....................................................14
5 机器人单关节控制器硬件设计...........................................16
5.1 位置检测模块设计...................................................16
5.2 运动模块设计.......................................................17
5.3 CAN 通讯模块设计 ...................................................22
6 机器人单关节控制器软件设计...........................................32
6.1 单片机的 C 语言程序设计说明.........................................33
6.2 系统对象字典.......................................................34
6.3 控制器总体程序流程图...............................................35
7 机器人单关节控制器的制作及调试.......................................36
结 论.................................................................37
致 谢.................................................................38
参 考 文 献............................................................39
附 录 A .............................................................. 40
附 录 B .............................................................. 41
附 录 C .............................................................. 46
绪论
机器人单关节控制器的研究背景及应用
机器人单关节控制器的研究背景
近年来随着人工智能技术、计算机技术以及网络技术等相关技术的发展,对智能
机器人的研究越来越多。机器人控制器成为各种智能控制方法(包括动态避障、群体
协作策略)的良好载体;同时,以现场总线为代表的控制网络在工业以及其他控制系
统中扮演着不可缺少的角色。机器人控制系统开始从集散控制系统(DCS)向现场总线
控制系统(FCS)过度,现场总线将成为控制领域的主流。CAN 总线由于具有可靠性高、
成本低、容易实现等优点,在控制系统中得到广泛的应用。由于机器人的各个组成部
分构成网络化的分布式系统,为了开展多智能的调度、规划等控制,所以对机器人控
制器的研究越来越受到重视。特别是在智能工程、控制工程以及机器人工程等领域起
着举足轻重的作用。
机器人控制系统之间的双向信息交换和实时数据传输需通过控制器来完成,因此
其控制器的运算工作量和通信工作量都很大。如果采用集中控制,CPU 的运算速度
难以满足实时性和高保真的性能要求。采用基于现场总线的分布式控制,把大量的伺
服控制和传感器信息处理放在每个智能控制器节点来处理,有利于进一步提高控制系
统的性能。
机器人单关节控制器的传感器较多,线路比较复杂,线束的布局往往直接影响系统的性能。
大量的布线不仅影响使用和维修,而且也不美观。
机器人单关节控制器的主要应用
机器人单关节控制器针对于各种智能机器人、工业机器人、航天机器人等的设计,
对机器人各个关节进行实时的控制,因此机器人单关节控制器不仅可以对机器人的各
个关节控制进行管理,而且在各个智能节点设备,也可以应用,特别是在研究和开发
领域,更是不可或缺的工具。
机器人单关节控制器作为一种很有潜力的高级机器人技术,在航天、军工、核工
业、深海探测等特殊工作环境下正在大显身手,而且在微创手术、生物医学、虚拟现
实和地下开采等领域也扮演着越来越重要的角色。机器人单关节控制器是系统的关键
设备,其性能好坏直接影响整个系统的可靠、稳定性。
机器人单关节控制器研究现状
国外研究现状
国外的研究成果:目前,美国、英国、日本、新加坡、德国、法国、澳大利亚等
国家都早已研制出机器人单关节控制。如:东芝试制家用机器人“ApriAlpha”
该概念模型配备了新开发的利用分散对象技术的开放式机器人控制器,因此可以很容
易追加新功能。另外该公司建立了利用分散对象技术的“开放式机器人控制器架构
(ORCA)”并且基于该架构新开发出控制器。采用模块化设计的 IRC5 控制器是 ABB
公司最近推出的第五代机器人控制器,它标志着机器人控制技术领域的一次最重大。
值得指出的是,由于将处理速度更高的微处理器引入至机器人控制器,从而显著地提高
了机器人运动控制性能,使机器人制造商能将诸如减振算法、前馈控制、预测算法等
先进的现代控制理论嵌入到机器人控制器内。
图 1-1 为带机器人单关节控制器的机械手实物照片:
图 1-1 带机器人单关节控制器的机械手实物照片
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