基于DSP的欠驱动体操机器人的摇起控制设计

迈肯思工控
发布时间:2019-11-27
1 引言
   
欠驱动机器人是一种部分关节为被动关节,能用较少的驱动装置完成复杂任务的机械系统。欠驱动机器人是近年来开始出现的一个较新的研究领域,针对欠驱动机器人系统的研究目前得到不少学者的关注。欠驱动机器人系统在很多的机器人系统例如多指机器人手、轮式移动机器人、太空机器人等非完整约束系统中都存在。因此近几年来,欠驱动机器人的运动控制问题引起国内外广泛的研究兴趣。同时,随着集成芯片技术的飞速发展,人们对欠驱动机器人控制的实时性和精度提出了越来越高的要求。
    本文设计了一种基于DSP的机器人控制系统。该控制系统采用两级控制结构。以通用PC作为上位机,完成目标设定、轨迹生成、系统管理和人机接口等功能;以美国Analog Device公司的定点数字信号处理芯片ADSP2181为核心,作为机器人控制的下位机。该控制器充分应用了DSP运算的高速性,提高了系统的实时和稳定性。

2 体操机器人硬件系统设计
2.1 控制系统硬件结构
   
控制对象为三关节欠驱动体操机器人,其中手臂关节为被动关节。控制转矩来自两台直流伺服电机,配5l:l减速器伺服电机,经轴线相交的圆锥齿轮传输至驱动关节,驱动关节通过动力耦合作用使被动关节产生运动。欠驱动机器人控制系统的任务就是对驱动关节电机进行控制,电机运行之前从控制界面输入控制目标参数,上位PC机负责发送控制命令与数据采集。DSP处于整个控制系统的底层,主要用来接收来自PC机的控制命令,对驱动关节执行电机控制,同时把底层信息反馈给上位PC机,以实现机器人运动信息的数据分析等功能,用一块DSP运动控制卡对机器人的肩关节或髋关节进行插补计算和伺服控制,采用PCI标准总线进行上、下位机的通讯,实现双速率运行。控制箱面板提供了各关节工作状态显示及伺服报警提示,还可以对关节进行手动控制。三关节欠驱动体操机器人控制系统结构如图l所示,体操机器人本体如图2所示。

2.2 运动控制器结构
   
系统采用ADSP218l数字信号处理器为核心,实现高性能的控制运算的伺服运动控制器。如图3所示,运动控制器的控制过程为增量编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号,运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中,PC机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由PC机设定,通过内部计算得到位置误差,经过数字伺服滤波器后,送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路,经过转换最后输出伺服电机的控制信号:+/-lOV模拟信号或PWM信号。

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