生機電一體化交互控制方法與系統(tǒng)集成技術分析研究電氣自動化專業(yè)

1、目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc200166235 摘要 PAGEREF _Toc200166235 h I HYPERLINK l _Toc200166236 第1章 緒論 PAGEREF _Toc200166236 h 1 HYPERLINK l _Toc200166237 1.1 課題研究背景 PAGEREF _Toc200166237 h 1 HYPERLINK l _Toc200166238 1.2課題研究目的和意義 PAGEREF _Toc200166238 h 1 HYPERLINK l _Toc200166242 1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展

2、趨勢 PAGEREF _Toc200166242 h 4 HYPERLINK l _Toc200166243 1.3.1人機交互 PAGEREF _Toc200166243 h 4 HYPERLINK l _Toc200166244 1.3.2 CANopen通訊 PAGEREF _Toc200166244 h 4 HYPERLINK l _Toc200166245 1.4本課題的研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc200166245 h 5 HYPERLINK l _Toc200166247 第2章電機運行調(diào)試 PAGEREF _Toc200166247 h 6 HYPERLINK

3、l _Toc200166249 2.1引言 PAGEREF _Toc200166249 h 7 HYPERLINK l _Toc200166249 2.2電機運行調(diào)試 PAGEREF _Toc200166249 h 7 HYPERLINK l _Toc200166243 2.2.1調(diào)試電流環(huán) PAGEREF _Toc200166243 h 4 HYPERLINK l _Toc200166243 2.2.2調(diào)試速度環(huán) PAGEREF _Toc200166243 h 4 HYPERLINK l _Toc200166243 2.2.3調(diào)試位置環(huán) PAGEREF _Toc200166243 h 4 H

4、YPERLINK l _Toc200166251 2.3本章小結(jié) PAGEREF _Toc200166251 h 8 HYPERLINK l _Toc200166252 第3章機械臂接口通訊 PAGEREF _Toc200166252 h 10 HYPERLINK l _Toc200166253 3.1引言 PAGEREF _Toc200166253 h 10 HYPERLINK l _Toc200166253 3.2通訊系統(tǒng)介紹 PAGEREF _Toc200166253 h 10 HYPERLINK l _Toc200166256 3.3 CANopen通訊協(xié)議 PAGEREF _Toc2

5、00166256 h 12 HYPERLINK l _Toc200166256 3.4基于CANopen的機械臂控制 PAGEREF _Toc200166256 h 12 HYPERLINK l _Toc200166257 3.5本章小結(jié) PAGEREF _Toc200166257 h 14 HYPERLINK l _Toc200166258 第4章機械臂人體姿態(tài)模仿實驗 PAGEREF _Toc200166258 h 15 HYPERLINK l _Toc200166259 4.1引言 PAGEREF _Toc200166259 h 15 HYPERLINK l _Toc200166259

6、4.2實驗設備介紹 PAGEREF _Toc200166259 h 15 HYPERLINK l _Toc200166273 4.3實驗方案與分析 PAGEREF _Toc200166273 h 20 HYPERLINK l _Toc200166243 4.3.1單軸電機實驗 PAGEREF _Toc200166243 h 4 HYPERLINK l _Toc200166243 4.3.2多自由度仿人機械臂實驗 PAGEREF _Toc200166243 h 4 HYPERLINK l _Toc200166277 4.4本章小結(jié) PAGEREF _Toc200166277 h 22 HYPER

7、LINK l _Toc200166278 第5章 全文總結(jié)和展望 PAGEREF _Toc200166278 h 23 HYPERLINK l _Toc200166279 5.1總結(jié) PAGEREF _Toc200166279 h 23 HYPERLINK l _Toc200166280 5.2展望 PAGEREF _Toc200166280 h 23 HYPERLINK l _Toc200166278 參考文獻24 HYPERLINK l _Toc200166278 致謝 PAGEREF _Toc200166278 h 23摘要本文針對仿人機械臂的運動，提出了基于CANopen通信協(xié)議，將人

8、體上肢作指定運動時檢測得到并處理后的角度信息，傳輸至機械臂，根據(jù)不同的角度信息，得到期望的機械臂運動的控制方法。本文主要論述利用CANopen通訊協(xié)議在C環(huán)境下控制仿人機械臂的運動，進行了相關電機的運行調(diào)試，詳細的介紹了CANopen的對象字典以及報文形式，論述了SDO與PDO的傳輸方式，提出了以CANopen通訊協(xié)議為基礎，控制機械臂運動的通訊方式，將人體上肢的姿態(tài)動作，通過運動學求解得出了各關節(jié)參數(shù)，利用Visual Studio控制程序?qū)?shù)轉(zhuǎn)化為對應電機運行相關角度的脈沖數(shù)，從而實現(xiàn)了仿人機械臂的動作交互。最后通過單軸電機控制實驗與仿人機械臂機器人系統(tǒng)實驗，驗證了控制方法的正確性與可行

9、性。主要步驟為：運行調(diào)試電機；分析研究CANopen通訊協(xié)議；根據(jù)CANopen 的規(guī)則，在C環(huán)境下編寫設計控制程序以完成本項目機械臂要求功能；實驗測試其可靠性與穩(wěn)定性；通過反復試驗改進，獲得最佳的仿人機械臂運動控制方法。關鍵詞 仿人機械臂 CANopen通信協(xié)議 角度信息 機械臂控制方法AbstractAiming at the motion of humanoid manipulators, the control method based on CANopen communication protocol which can transmit the angle signal obtai

10、ned from human upper limb in the specified movement to manipulators, making manipulators perform expected movement, is designed. This paper elaborates how to control the movement of manipulators according to angle signal and describes the application and development of CANopen protocol in manipulato

11、r control system. Eventually the control method is verified by experimental analysis to achieve the required functionality. The main steps are described as follows: analyzing the model of CANopen communication protocol; programming in Visual Studio according to the requirements of the manipulator ba

12、sed on the rule of CANopen communication protocol; verifying its reliability and stability in designed experments; modifying constantly to accomplish the optimal control method of humanoid manipulators.Key words humanoid manipulators CANopen communication protocolangle signal the control method of h

13、umanoid manipulators緒論課題研究背景通過持續(xù)不斷的發(fā)展，機器人技術己廣泛應用于服務行業(yè)、教育、醫(yī)療、航空航天等領域。在這個過程中，機器人由一開始的遙不可及，到現(xiàn)如今已在生活中普及。隨著公共服務場所，家居等場合機器人的數(shù)量越來越多，對于機器人的運動控制就凸顯得尤為重要。使機器人更好融入生活的根本在于保證機器人能夠根據(jù)人的意圖提供服務，在保障安全的基礎上，追求機器人的智能化與人性化。隨著對于機器人技術研究的深入，人與機器人之間的“對話”必不可少。這種通過計算機的輸入與輸出實現(xiàn)“對話”的過程被稱為人機交互。如何增加人機交互的沉浸感與真實性，如何提高人機交互的效率與實時準確性等一直

14、是機器人技術研究中的主要方向。人機交互的基礎就是能夠識別人體所表達的信息?；诜氯藱C器人的人機交互首先面臨的問題就是識別人體的姿態(tài)，由于姿態(tài)的復雜性與多樣性，準確控制仿人機器人的運動具有一定的挑戰(zhàn)性，同時也具有相當?shù)难芯績r值與意義。1.2課題研究目的和意義本文針對仿人機械臂的人機交互方式做出探討和研究。隨著工業(yè)4.0計劃的提出，“智能化”已經(jīng)被推到了時代的最前沿，而機器人技術研究則是智能化研究中最重要的一環(huán)，因此，更加凸顯了作為機器人技術核心的人機交互技術的重要性。隨著社會需求的不斷提高，設計出能為大眾所廣泛使用的人機交互界面已成為科學家們共同關注的焦點。所以本項目所研究的仿人機械臂作為人機交

15、互的典型案例，對其的深入研究具有十分重要的意義。1.3國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1人機交互 機器人參與人類的活動并與人共處稱之為人機交互(Interaction between human and robots)。人機交互的目的存在于打通人與機器人交互的一種知識渠道。人機交互的第一篇文獻是美國學者B.Shackel提出于1959年，此后，人機交互的學習與研究一直吸引著眾多學者的參與 ADDIN EN.CITE 陳家順2015212232陳家順基于人機交互的機器人動作模仿學習2015華南理工大學 HYPERLINK l _ENREF_1 o 陳家順, 2015 #2 1。最原始的人機交互表現(xiàn)為通過信

16、號燈與紙片等進行與計算機的交互，經(jīng)過計算機技術幾十年的發(fā)展，交互效率在人機交互界面的出現(xiàn)后有了極大提升，但距離滿足人機交互的要求還有很長的路要走。近些年來，智能機器人技術的深入研究與趨近成熟，為人機交互的發(fā)展提供了強大的驅(qū)動力?，F(xiàn)如今語音交互、手勢交互、視覺交互甚至情感交互都可以通過智能機器人技術來實現(xiàn)?？梢源笾聦⑷藱C交互的發(fā)展分為以下幾個方面：語音交互：在TTS(text to speech) ADDIN EN.CITE Addison2005132131313Addison, Edwin R.Wilson, Donald H.Marple, GaryHandal, Anthony H.Kr

17、ebs, NancyText to speech3173242005WO HYPERLINK l _ENREF_2 o Addison, 2005 #13 2技術的基礎上，使機器人的語言功能成為現(xiàn)實，通過隱馬爾科夫 ADDIN EN.CITE 吳義堅2006143141432吳義堅基于隱馬爾科夫模型的語音合成技術研究2006中國科學技術大學 HYPERLINK l _ENREF_3 o 吳義堅, 2006 #14 3模型，利用語音處理器將文字轉(zhuǎn)化為語音輸出。同時STT (speech to text ) ADDIN EN.CITE Liu2005154151513Liu, Feng ChiMe

18、thod of communication with speech-to-text transformation2005US HYPERLINK l _ENREF_4 o Liu, 2005 #15 4技術可通過隱馬爾可夫算法將語音轉(zhuǎn)化成文本，TTS技術與STT技術的結(jié)合實現(xiàn)了人機交互中的語音交互，由于語音在人機交互中的優(yōu)勢，使語音交互有較為廣泛的應用。視覺交互：視覺交互即利用攝像頭等硬件賦予機器人“視覺”，使其能夠?qū)崿F(xiàn)人眼的視覺功能，處理與認知周圍環(huán)境事物等。視覺技術主要包括對于周圍環(huán)境圖像的采集與獲取、圖像的傳輸以及后期處理，后期處理分為圖像的分割、銳化、編碼、解碼以及圖像的特征提取等。通

19、過視覺感知技術隨時捕獲交互場景中的靜態(tài)、動態(tài)信息，在充分理解上下文信息的基礎之上，充分理解用戶的意圖，從而完成自然、高效、可靠的交互任務 ADDIN EN.CITE 陳澤寧2015165161632陳澤寧基于穿戴視覺的人機交互技術2015北京理工大學 HYPERLINK l _ENREF_5 o 陳澤寧, 2015 #16 5。數(shù)據(jù)交互：人機交互的本質(zhì)就是各種形式的數(shù)據(jù)進行交互，數(shù)據(jù)交互也是人機交互技術中最傳統(tǒng)，最為成熟的一種。通過不斷發(fā)送輸入計算機可識別的命令，等待計算機完成指令任務，控制機器的運動等以實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為基礎的人機交互。動作交互：動作交互指參照人體本身肢體的動作，與機器人進行交互，

20、希望機器人進行動作模仿或作出對應的反應動作等。實現(xiàn)動作交互的基礎是將人體對應的姿態(tài)數(shù)據(jù)進行采集處理，轉(zhuǎn)化為計算機可識別的指令。動作交互相比前三種交互方式效率更高，效果更為明顯，但是由于人體姿態(tài)十分復雜，所以動作交互對于機器人動作捕捉，數(shù)據(jù)處理的要求更高。基于動作的交互是本文研究的重點，通過運動學求解以及X-sense傳感器獲取人體關節(jié)角度數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后發(fā)送至仿人機械臂以實現(xiàn)人機交互。1.3.2 CANopen通訊CAN是控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司所開發(fā)。Philips半導體公司于199

21、1年9月制定并發(fā)布CAN技術規(guī)范：CAN 2.0 A/B，并最終成為國際標準(ISO 11878 ) ADDIN EN.CITE 何銀菊2012363332何銀菊基于CAN總線的分布式工程機械控制系統(tǒng)的設計2012中南大學 HYPERLINK l _ENREF_6 o 何銀菊, 2012 #3 6。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議 ADDIN EN.CITE 林利2009187181832林利基于LabVIEW的混合動力汽車車載參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)2009重慶大學 HYP

22、ERLINK l _ENREF_7 o 林利, 2009 #18 7，是應用最廣泛的現(xiàn)場總線技術之一。CAN是一種串行通信協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點、一點對多點和全局廣播方式的數(shù)據(jù)傳輸方式，易于擴展。CAN傳輸速率最高可達1 Mbit/s。CAN總線技術特點主要有：CAN成本低、總線利用率高、功耗低，可被置于任何內(nèi)部活動的睡眠方式，可借助任何總線激活或者系統(tǒng)的內(nèi)部條件喚醒其睡眠狀態(tài)。CAN規(guī)定任何要發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點必須首先監(jiān)聽總線是否空閑，在監(jiān)測到空閑狀態(tài)的情況下，每個節(jié)點都有均等的機會來發(fā)送報文。CAN規(guī)定每個網(wǎng)絡節(jié)點或數(shù)據(jù)幀分配不同的優(yōu)先級，根據(jù)實時要求級別的不同進行傳輸。在134 s內(nèi)，高優(yōu)先級

23、的數(shù)據(jù)可得到傳輸，優(yōu)先級低的則需要等待一段時間間隔后重發(fā)。CAN采用短幀數(shù)據(jù)格式，每幀報文允許傳輸最高8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，受干擾頻率低，傳輸時間短。CAN容錯性能良好，每幀信息都有CRC校驗或其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。在嚴重錯誤時CAN節(jié)點則會自動關閉輸出，保證不影響總線上其他節(jié)點的操作，有效地保證了關鍵信息在總線不會擁堵。CAN總線基于報文的通信技術允許報文以“廣播”的形式發(fā)送到所有節(jié)點，但由接收節(jié)點本身的設置決定報文是否要做進一步處理或被丟棄。CAN本身并不完整，只包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有規(guī)定應用層，CAN報文中的11/29位標識符、8字節(jié)數(shù)據(jù)的使用需要由一個高層協(xié)議來定義。CA

24、Nopen是建立在CAN(Controller Area Network)串行總線之上的應用層協(xié)議。它支持多種傳輸模式，具有良好的開放特性，并能極大程度地降低CAN總線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的負荷，從而使CAN總線成為一個更加完善的網(wǎng)絡系統(tǒng) ADDIN EN.CITE 1981919017 HYPERLINK l _ENREF_8 o , #19 8。1.4本課題的研究內(nèi)容及論文結(jié)構(gòu)本文在查閱大量文獻資料，掌握國內(nèi)外研究進展的情況下，對生機電一體化技術進行了深入的研究。具體章節(jié)安排如下：第一章 緒論：主要介紹了本課題的研究背景和研究意義，人機交互技術的主要研究現(xiàn)狀，人機交互技術的主要發(fā)展階段，CAN總線技術

25、以及CANopen通訊協(xié)議。 第二章 電機運行調(diào)試：利用CME2軟件對電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)進行運行調(diào)試，詳細介紹了電流環(huán)、速度環(huán)與位置環(huán)的控制回路、影響因素以及具體調(diào)試方法。第三章 機械臂接口通訊：介紹了常用的通訊控制系統(tǒng)，詳細的介紹了CANopen的對象字典以及報文形式，論述了SDO與PDO的傳輸方式，提出了以CANopen通訊協(xié)議為基礎，控制機械臂運動的通訊方式，將人體上肢的姿態(tài)動作，通過運動學求解得出了各關節(jié)參數(shù)，利用控制程序?qū)?shù)轉(zhuǎn)化為對應電機運行相關角度的脈沖數(shù)，從而完成了仿人機械臂動作交互的過程。第四章 實驗：介紹了本項目所用機械臂的結(jié)構(gòu)組成，各關節(jié)所分配的自由度以及運動方

26、式，以及電機控制中所使用的copley micro module系列控制板。實驗分為兩個方案，方案一以控制單軸電機在給定角度情況下，通過Visual Studio運行控制程序?qū)⒔嵌绒D(zhuǎn)化為對應脈沖，通過CAN接口控制電機的旋轉(zhuǎn)為中心；方案二主要任務為通過Visual Studio運行項目程序，將從前期規(guī)劃的人體動作得出的角度轉(zhuǎn)化為脈沖，分別控制機械臂的八個電機，觀察能否完成預期動作。第五章 總結(jié)和展望：總結(jié)本文所進行的工作，提出以后改善的方向。第2章電機運行調(diào)試2.1引言 本章針對仿人機械臂人機交互過程中所使用的電機進行探討研究，通過CME2軟件如下圖2.1所示，主要對電機的電流、速度、位置三個

27、環(huán)路進行實驗調(diào)試。整定的原則為先速度，后位置；先整定比例P，后整定積分I。圖2.1 CME2軟件操作界面?zhèn)鹘y(tǒng)PID控制，期望輸出量rit(t)與實際輸出量yout(t)構(gòu)成控制偏差量：errot(t)=rit(t)-yout(t) (2-1)PID控制器的控制規(guī)律：t=KPerrot(t)+1TI0terrot(t)dt+TDderrot(t)dt (2-2)其中KP表示比例系數(shù)；TI表示積分時間常數(shù)；TD表示微分時間常數(shù)。圖2.2 PID控制原理框圖如式2-2所示，控制系統(tǒng)的偏差信號errot(t)產(chǎn)生時，控制器會產(chǎn)生控制作用以減小偏差。積分環(huán)節(jié)用來消除靜差，積分時間常數(shù)TI決定積分作用的強

28、弱，并且與積分作用成反比。微分環(huán)節(jié)反映出來的是偏差信號的變化趨勢與變化速率，在偏差信號變得太大之前，在控制系統(tǒng)中加入一個早期的有效修正信號，從而達到加快系統(tǒng)的動作速度，縮短調(diào)節(jié)時間，減小響應時間的目的 ADDIN EN.CITE 朱偉2010269262617朱偉DSP技術在艦炮伺服系統(tǒng)中的應用制造業(yè)自動化制造業(yè)自動化129-1303292010 HYPERLINK l _ENREF_9 o 朱偉, 2010 #26 9。2.2電機運行調(diào)試2.2.1調(diào)試電流環(huán)該小節(jié)的主要任務為將方波信號作為電流環(huán)的輸入，調(diào)試電流環(huán)相關參數(shù)，得到與理想波形相符合的實際波形。電流環(huán)原理如下圖2.3所示：圖2.3

29、電流環(huán)原理電流環(huán)前端的限制器用于接收電流命令，求和節(jié)點接收到限制后的電流命令，將命令電流與反饋的實際電流之間的差值作為新的命令信號，對其進行積分處理與比例處理后，被作用給功率級輸出 ADDIN EN.CITE 陳磊20132210222232陳磊基于Turbo PMAC2控制器的齒輪測量中心直接驅(qū)動控制系統(tǒng)研究2013哈爾濱理工大學 HYPERLINK l _ENREF_10 o 陳磊, 2013 #22 10。電流環(huán)輸入量包括：驅(qū)動器模擬量；PWM輸入；通過驅(qū)動器CAN接口的CAN網(wǎng)絡；一個Copley虛擬機器程序等。速度環(huán)在速度或位置模式中產(chǎn)生電流命令。電流環(huán)的電流偏置在限制器之前作用給電

30、流環(huán)的命令值。對電流命令值設置了如下限制：電流環(huán)增益包括比例增益和積分增益，對各增益的描述如下表2所示：調(diào)節(jié)步驟：將電流環(huán)積分增益（Ci）設為0。通過調(diào)節(jié)電流環(huán)比例增益（Cp）值得到理想階躍響應。若（Cp）值偏大，則可能會產(chǎn)生振動。若（Cp）值偏小，則帶寬會減少。增大或減小電流環(huán)積分增益（Ci）值以得到理想整定時間。當界面中實際波形與理想波形較為吻合時表明整定電流環(huán)完成，如下圖2.4所示：圖2.4 電流環(huán)調(diào)節(jié)過程2.2.2調(diào)試速度環(huán)該小節(jié)的主要任務為將方波信號作為速度環(huán)的輸入，調(diào)試速度環(huán)相關參數(shù)，得到與理想波形相符合的實際波形。速度環(huán)原理如下圖2.5所示：圖2.5 速度環(huán)原理速度命令信號發(fā)送至

31、速度環(huán)限制器，輸入濾波器接收限制速度命令信號，將信號傳遞至求和節(jié)點處，同時將速度命令信號與反饋的實際速度值相減，得到一差值信號 ADDIN EN.CITE 韓躍營20121711171732韓躍營康復按摩機器人手臂控制系統(tǒng)研究2012長春工業(yè)大學 HYPERLINK l _ENREF_11 o 韓躍營, 2012 #17 11。由比例增益和積分增益的處理后，得到最終的電流命令信號。在速度模式下，速度環(huán)的命令來源包括：驅(qū)動器模擬量；PWM輸入；通過驅(qū)動器CAN接口的CANopen網(wǎng)絡；驅(qū)動器的CVM控制程序等。位置環(huán)在位置模式下產(chǎn)生速度環(huán)的命令。為了保護電機或者機械系統(tǒng)，設置了以下速度命令限制：

32、速度環(huán)增益包括速度環(huán)比例增益以及速度環(huán)積分增益，對各增益的描述如下表4所示：調(diào)節(jié)步驟：將速度環(huán)積分增益（Vi）值設為0。調(diào)節(jié)比例增益（Vp）值以獲取理想階躍響應。增大或減小速度環(huán)積分增益（Vi）值得到理想整定時間。當界面中實際波形與理想波形較為吻合時表明整定速度環(huán)完成，如下圖2.6所示：圖2.6 速度環(huán)調(diào)節(jié)過程2.2.3調(diào)試位置環(huán)該小節(jié)的主要任務為將方波信號作為位置環(huán)的輸入，調(diào)試位置環(huán)相關參數(shù)，得到與理想波形相符合的實際波形。位置環(huán)原理如下圖2.7所示：圖2.7 位置環(huán)原理驅(qū)動器接收位置命令信號通過模擬量，數(shù)字輸入，CAN接口，串口或CVM程序。在模擬量輸入或者數(shù)字輸入的情況下，以軌跡限制參數(shù)

33、的為基礎，驅(qū)動器內(nèi)部軌跡發(fā)生器運算出梯形運行軌跡。在使用CAN口，串口或者CVM程序的情況下，可以執(zhí)行梯形或者S型曲線運動 ADDIN EN.CITE 12121212017 HYPERLINK l _ENREF_12 o , #12 12。軌跡發(fā)生器會在接收到位置命令的同時，實時地計算運行軌跡。發(fā)生器的輸出瞬時位置命令信號的同時，產(chǎn)生瞬時速度和加速度值。位置環(huán)處理這些信號以及反饋的位置信號后得到最終的速度命令。注意：在數(shù)字或者模擬位置模式時，若將最大加速度限制置為0，其它位置模式正確地操作將會被阻止。若設置最大加速度為0，則軌跡發(fā)生器無效。位置模式下生成軌跡時，對軌跡發(fā)生器設置了如下限制：位

34、置環(huán)接收的輸入量包括以下三個部分：計算速度命令時，位置環(huán)增益包括位置比例增益，速度前饋與加速度前饋，對各參數(shù)的描述如下表7所示：調(diào)節(jié)步驟 ADDIN EN.CITE 12121212017 HYPERLINK l _ENREF_12 o , #12 12：將速度前饋(Vff)和加速度前饋（Aff）設為0。調(diào)節(jié)位置環(huán)比例增益（Pp）直到獲得最好的結(jié)果，以減小跟隨誤差。每一次調(diào)節(jié)后，則測試一個新的運動。若比例增益Pp偏大可能會引起振動。調(diào)節(jié)速度前饋（Vff）以減小運行軌跡勻速段的跟隨誤差。調(diào)節(jié)Vff值，每一次調(diào)節(jié)后，則測試一個新的運動。調(diào)節(jié)加速度前饋（Aff）以減小運行軌跡加速和減速過程中的跟隨誤

35、差。調(diào)節(jié)Aff值。每一次調(diào)節(jié)后，則測試一個新的運動。當界面中實際波形與理想波形較為吻合時表明整定位置環(huán)完成，如下圖2.8所示：圖2.8 位置環(huán)調(diào)節(jié)過程2.3本章小結(jié)本章主要論述了電機調(diào)試的過程，詳細介紹了調(diào)試過程中電機的電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)涉及的各參數(shù)含義、調(diào)試方法及注意事項。電機的調(diào)試是電機穩(wěn)定工作的保障，為下面機械臂的控制打下基礎。第3章 機械臂接口通訊3.1引言機械臂接口通訊是實現(xiàn)仿人機械臂人機交互中最重要的一環(huán)。在保證通訊方案可行性的前提下，機械臂才可以識別人體姿態(tài)信息，按照人的意圖進行姿態(tài)模仿。本章首先對通訊系統(tǒng)進行了簡單介紹，詳細分析了CANopen通訊協(xié)議的規(guī)則與報文形式，并給

36、出了基于CANopen協(xié)議進行通訊的流程以及整個機械臂系統(tǒng)進行姿態(tài)模仿的流程。3.2通訊系統(tǒng)介紹 當前自動化領域發(fā)展的熱點無疑是現(xiàn)場總線計數(shù)，主要用于現(xiàn)場儀表與控制系統(tǒng)和控制室之間的一種全分散、全數(shù)字化、智能、雙向、互聯(lián)、多變量、多點、多站的串行通信系統(tǒng) ADDIN EN.CITE 雷霖2004713776雷霖現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡技術2004電子工業(yè)出版社 HYPERLINK l _ENREF_13 o 雷霖, 2004 #7 13，是自動化領域的局域網(wǎng)，集成了計算機技術、通信技術以及控制技術。當前在國際上使用較為廣泛的現(xiàn)場總線協(xié)議包括CAN, PROFIBUS以及DeviceNet等 ADDIN

37、 EN.CITE 陽憲惠2013814886陽憲惠工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡2013清華大學出版社 HYPERLINK l _ENREF_14 o 陽憲惠, 2013 #8 14。本文依靠CAN總線通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)研究中的多電機控制。3.3 CANopen通訊協(xié)議 一個完整的CAN總線結(jié)構(gòu)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層以及應用層。CAN硬件本身包含物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，沒有規(guī)定應用層。因此，研究的主要任務就是如何完成應用層的實現(xiàn)。本文基于CANopen通訊協(xié)議來實現(xiàn)應用層。下圖3.1描述了CAN與CANopen通訊協(xié)議之間的關系：圖3.1 CAN與CANopen通訊協(xié)議關系圖CANopen最核心的概念是對象字

38、典(OD:Object Dictionary)。它是一個有序的對象組，每個對象都有一個對應的16位索引值(index)來尋址，同時為了允許訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的單個元素，再定義一個8位的子索引(sub index) ADDIN EN.CITE 陳在平20102315232317陳在平王峰基于CANopen協(xié)議從節(jié)點研究制造業(yè)自動化制造業(yè)自動化27-303222010 HYPERLINK l _ENREF_15 o 陳在平, 2010 #23 15。CANopen中定義的對象字典有關范圍是0 x1000到Ox9FFF之間。下表8為CANopen對象字典：表8 CANopen對象字典索引范圍描述0000

39、保留0001 to 025F數(shù)據(jù)類型0260 to 0FFF保留1000 to 1FFF通訊對象子協(xié)議區(qū)2000 to SFFF制造商特定子協(xié)議區(qū)6000 to 9FFF標淮化設備子協(xié)議區(qū)A000 to AFFF網(wǎng)絡變量（符合IBC61131-3)B000 to BFFF用于路由網(wǎng)關的系統(tǒng)變量C000 to FFFF保留本系統(tǒng)中CANopen通訊軟件設計時，涉及到對象字典中的索引值包括通訊子協(xié)議區(qū)域、制造商特定子協(xié)議區(qū)域與設備子協(xié)議區(qū)域，其中標準的設備子協(xié)議區(qū)域是電機控制中最核心字典區(qū)域，這部分字典幾乎包含了所有主要的電機控制對象。本系統(tǒng)設計的CANopen的通訊模型中，通過不同的通訊對象進行

40、數(shù)據(jù)傳輸與參數(shù)配置，在CANopen通訊協(xié)議中，將不同的通訊對象劃分為4種類型：服務數(shù)據(jù)對象(SDO)，過程數(shù)據(jù)對象(PDO)，網(wǎng)絡管理對象(NMT)，特殊功能對象。服務數(shù)據(jù)對象SDO(Service Data Object )：SDO報文使上位機可以在預操作狀態(tài)和正常工作狀態(tài)下通過索引、子索引對對象詞典中的項進行訪問，讀寫。SDO命令字包括：下載/上載，請求/回應，塊傳送/快速傳送 ADDIN EN.CITE 孟詔20082016202032孟詔基于CANopen協(xié)議的CAN總線控制系統(tǒng)研究2008北京工業(yè)大學 HYPERLINK l _ENREF_16 o 孟詔, 2008 #20 16。

41、過程數(shù)據(jù)對象PDO ( Process Data Object )：過程數(shù)據(jù)對象PDO主要用來在正常操作狀態(tài)處理傳輸實時性要求較高的數(shù)據(jù)。PDO可以傳輸8個數(shù)據(jù)字節(jié)，與 SDO相比可以傳送跟多的數(shù)據(jù)。一個PDO對應一個唯一的標識符，且僅可由一個節(jié)點發(fā)送至一個或多個接受者。可以靈活定義PDO的傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容，報文的格式為COB-ID+數(shù)據(jù)字節(jié)，數(shù)據(jù)字節(jié)由對應的對象詞典中的定義決定。網(wǎng)絡管理對象(NMT)：主要負責層管理，網(wǎng)絡管理、節(jié)點配置保護以及ID分配。CANopen協(xié)議規(guī)定有且僅有一個主站，從站可以有一個或多個。從站支持NMT模式且只受主站發(fā)送的NMT報文控制，其中NMT的報文格式如下表9所示

42、：表9. NMT報文格式COB-IDByte0Byte10X000CS（命令字）Node-ID（目標節(jié)點ID）命令字CS的定義如表10所示：表10. CS定義命令字含義1啟動節(jié)點2停止接點128進入預操作狀態(tài)129復位節(jié)點130復位通訊特殊功能對象：特殊功能對象包括時間標記對象、同步對象以及緊急對象。時間標記對象用于向設備提供工作時間，屬于儲存事件類型；同步對象用于進行任務同步；當設備發(fā)生致命錯誤時，緊急對象被觸發(fā)，因此具備最高優(yōu)先級。 本項目中Visual Studio與電機通訊時數(shù)據(jù)的收發(fā)依靠SDO和PDO報文實現(xiàn)。PDO相比SDO具有更高的優(yōu)先級。下圖3.2表示Visual Studio

43、與電機的CANopen通訊過程：圖3.2 CANopen通訊網(wǎng)絡示意圖3.4基于CANopen的機械臂控制 利用Visual Studio進行上位機界面編程，軟件界面如下圖3.3所示：圖3.3Visual Studio編程界面其中定義的函數(shù)包括：angle(double q18,double q28)該函數(shù)用來將電機旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)；CopleyCAN can( canDevice )該函數(shù)用來連接底層CAN網(wǎng)絡；Linkage:Init( uint16 ct, Amp a )該函數(shù)用來進行放大器的初始化；Amp:GoHome( HomeConfig &cfg )該函數(shù)用來對各個結(jié)構(gòu)體進行

44、復位；Linkage:WaitMoveDone( int32 timeout )該函數(shù)用來等待當前正在運行的動作完成，或發(fā)生錯誤；link.SetMoveLimits( 80000, 50000, 40000, 1000000 )該函數(shù)用來設定運動限制條件包括速度，加速度，減速度以及振動限制；Linkage:MoveTo( PointN &p )該函數(shù)用來控制機械臂運動到指定的點位。下圖3.4為CAN內(nèi)部運行流程圖 ADDIN EN.CITE 李麗20141017101017李麗郝兵白金泉姜重然基于CAN現(xiàn)場總線仿人機器人機械臂分布式控制的研究與設計佳木斯大學學報:自然科學版佳木斯大學學報:自

45、然科學版270-27322014 HYPERLINK l _ENREF_17 o 李麗, 2014 #10 17：圖3.4 CAN通訊流程下圖3.5為C環(huán)境下控制機械臂運動的主程序流程圖：NY使用頭文件已定義的函數(shù)CML_NAMESPACE_USE()引用本地函數(shù)；定義AMPCT及CAN口基本參數(shù)電機復位，進行PVT運動定義全局類對象CML將通用CAN接口轉(zhuǎn)化為Copley CAN驅(qū)動設備的專用工作接口在打開接口前設定CAN接口數(shù)據(jù)傳輸波特率建立對象連接底層CAN網(wǎng)絡打開CANopen網(wǎng)絡初始化8個放大器；建立連接對象保持放大器狀態(tài)，依次排列進行初始化輸入手臂各個動作的初始、末始狀態(tài)放大器初始

46、化設定運動條件：速度，加速度，減速度，振動限制動作分階段識別；各階段相對角度發(fā)送至電機進行軌跡規(guī)劃，通過CAN口將角度轉(zhuǎn)化成的脈沖數(shù)發(fā)送至電機進行下一個動作圖3.5 主程序流程圖其中電機旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)的部分程序段： if(current_timetf1 & current_time=tf & flag=2) for(int j=0;jstart.getDim();j+)KI_polynomialxishu5(qtj,q0j,dqfj,dq0j,tf2,b0j,b1j,b2j,c0j,c1j,c2j,t11);if(current_time-tf1)t11) new_p1j =b0j*(c

47、urrent_time-tf1)*(current_time-tf1)+b1j*(current_time-tf1)+b2j; new_v1j =2*b0j*(current_time-tf1)+b1j; else new_p1j = c0j*(current_time-tf1)*(current_time-tf1)+c1j*(current_time-tf1)+c2j;new_v1j =2*c0j*(current_time-tf1)+c1j; angle(new_p,new_p1); angle(new_v,new_v1);3.5本章小結(jié) CAN總線具有良好的應用前景，基于CAN總線技術，

48、高層協(xié)議CANopen和CAN構(gòu)成了一個完整的網(wǎng)絡協(xié)議，提高了CAN總線的利用率，增強了設備的可擴展性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，使機械臂控制系統(tǒng)具有了高度的實時性、完善的擴充性、廣泛容錯性、精確地可靠性。本章詳細分析了CANopen通訊協(xié)議的規(guī)則與報文形式，并總結(jié)了基于CANopen協(xié)議進行通訊的流程以及整個機械臂系統(tǒng)進行姿態(tài)模仿的流程，為下面的機械臂姿態(tài)模仿實驗做好通訊準備。第4章 機械臂人體姿態(tài)模仿實驗4.1引言 本章首先介紹了相關的實驗設備，詳細介紹了兩個實驗方案，方案一以CANopen通訊為基礎，控制機械臂所用單軸電機旋轉(zhuǎn)給定角度；方案二通過Visual Studio運行基于CANop

49、en協(xié)議的項目程序，分別控制仿人機械臂的各個電機完成預期動作。4.2實驗設備介紹多自由度仿人臂機器人系統(tǒng)為8-DOF 仿人臂，結(jié)構(gòu)模擬人體的腰部關節(jié)及手臂的肩、肘與腕部關節(jié)，各個關節(jié)自由度分配如下：仿人臂繞仿人機器人腰部豎直向上軸轉(zhuǎn)動的自由度1個；肩部自由度3個，分別用于繞x，y，z軸轉(zhuǎn)動，即繞水平向左軸做前伸和后延運動，繞水平向前軸做外展和內(nèi)收運動及繞豎直向上軸做外旋和內(nèi)旋運動；肘部自由度1個，用于繞水平向前軸大臂與小臂之間的外展和內(nèi)收運動；腕部自由度3個，用于繞小臂豎直軸線的外旋和內(nèi)旋運動，繞向前軸小臂與手掌間的外展和內(nèi)收運動及繞水平向左軸做手掌前伸和后延運動 ADDIN EN.CITE

50、任子武20142418242417任子武朱秋國熊蓉冗余仿人臂避關節(jié)物理約束的一種逆運動學問題求解方法機械工程學報機械工程學報58-65192014 HYPERLINK l _ENREF_18 o 任子武, 2014 #24 18。下圖為多自由度仿人臂機器人系統(tǒng)模型圖4.1(a)及對應的關節(jié)結(jié)構(gòu)模型圖4.1(b)。圖4.1 冗余仿人臂仿真模型圖(a)及對應的關節(jié)結(jié)構(gòu)模型圖(b)下圖4.2與圖4.3為仿人臂系統(tǒng)部分設計的實物模型圖及實體圖：圖4.2 仿人手臂實物模型 圖4.3 多自由度仿人臂機器人系統(tǒng)下表給出了仿人機械臂系統(tǒng)關節(jié)角度活動范圍：表8. 仿人機械臂系統(tǒng)關節(jié)角度活動范圍角度關節(jié)角度q/(

51、)范圍q0q1q2q3q4q5q6q7下限-30-126-133-180-20-180-80-42上限309015901201808085本設計方案中電機采用美國copley公司的Accelent micro module系列控制板。該控制板在保證輸出直流電壓1455V，連續(xù)電流3A,峰值電流6A前提下，體積卻能做到非常精小(64mm x 41mm x 16mm )。同時其提供豐富的通訊接口，包括了RS232, CAN，以及多個I/0口?？蓪崿F(xiàn)在電流/力矩模式，速度模式，位置模式等多個模式下對電機的控制 ADDIN EN.CITE 季歲陽20119199932季歲陽乒乓機器臂的電氣設計和實時系

52、統(tǒng)開發(fā)2011浙江大學 HYPERLINK l _ENREF_19 o 季歲陽, 2011 #9 19。圖4.5 copley micro module4.3實驗方案與分析4.3.1 單軸電機實驗利用copley公司的Accelent micro module系列控制板及MMCN-DEMO-ACK-002-V1.0編碼器，對電機進行運行調(diào)試后，保證電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)符合標準后，利用Visual Studio軟件運行電機控制項目。圖4.6 電機控制設備圖4.7 電機參數(shù)設置函數(shù)在本實驗中，設定電機第一個動作為接收1000個脈沖，逆時針旋轉(zhuǎn)約180；第二個動作為接收500個脈沖，順時針旋轉(zhuǎn)約9

53、0。下圖4.8為實驗程序運行結(jié)果：圖4.8 實驗程序運行結(jié)果下圖4.9表示了電機在實驗過程中的關鍵運動步驟：圖4.9 電機關鍵運動步驟實驗分析：實驗輸入量分別為1000脈沖與500脈沖，實驗用單軸電機的參數(shù)為每2048脈沖旋轉(zhuǎn)一周，實驗過程中可以觀察到單軸電機在程序控制下首先逆時針旋轉(zhuǎn)約180，再沿順時針旋轉(zhuǎn)約90，因此實驗驗證了在C環(huán)境下，程序通過CAN接口成功控制電機的旋轉(zhuǎn)。4.3.2多自由度仿人機械臂實驗數(shù)據(jù)收集過程利用運動捕捉模塊(Motion Capture Module) （圖4.10）和兩枚高精度Xsens姿態(tài)傳感器（圖4.11）。 圖4.10運動捕捉模塊圖 4.11姿態(tài)傳感器實

54、驗前，需將Xsens 傳感器穿戴在指定的位置（圖4.12）。每個待測關節(jié)需要2 個傳感器，分別穿戴在關節(jié)上方和關節(jié)下方。圖4.12 傳感器穿戴位置把3號USB Host 接口的Xsens傳感器綁在脖子后面，2號USB Host 接口的Xsens傳感器綁在大臂處，1號USB Host 接口的Xsens傳感器綁在小臂處。實驗的初始位置和終止位置為：保持手臂自然下垂。3號和2號確定肩關節(jié)在三個基準平面內(nèi)的角度和角速度，角加速度。2號和1號確定肘關節(jié)在三個基準平面內(nèi)的角度和角速度，角加速度，因為肘關節(jié)的運動特點，我們只需要在矢狀面內(nèi)的角度和角速度，角加速度即可。設計了三組動作。動作一：向上曲臂,如圖；

55、動作二:向內(nèi)曲臂,如圖；動作三:平舉，如圖；每組實驗，實驗者每個姿態(tài)做兩遍動作，一共做三次動作。三組動作分別如下圖4.13(a)(b)(c)所示：圖4.13(a)平舉；(b)向上曲臂；(c)向內(nèi)曲臂將傳感器測出的各關節(jié)角度參數(shù)，利用控制程序發(fā)送至仿人機械臂系統(tǒng)系統(tǒng)。實驗數(shù)據(jù)共分為平舉，向上曲臂，向內(nèi)曲臂三組不同的動作數(shù)據(jù)，分組分別傳輸至電機，觀察仿人機械臂能否完成預期的運動動作，表9給出了仿人機械臂系統(tǒng)三組不同姿態(tài)的角度輸入值：表9. 仿人機械臂角度輸入值姿態(tài)一肩部肘部編號Angle XAngle YAngle ZAngle X810.002094333-0.0001745330.005235

56、9880141-0.672281-0.1216494470.111352004-0.027052603190-1.489943639-0.4064871760.0214675490.586430619235-1.67913175-0.502654816-0.1699950661.074250136332-0.925695333-0.364948340.1679006710.2577851263760.013264111-0.0546288050.201410992-0.012915436姿態(tài)二肩部肘部編號Angle XAngle YAngle ZAngle X1670.034905556-0.

57、0308923270.081157809-0.040317105235-0.5563945560.1425933970.225671068-0.085172066257-1.1928973610.1408480680.3741985850.049218284326-1.7252070830.6633996370.230557991.243547071443-1.0155771390.1954768730.1137954650.117809723468-0.3806450830.1209513150.093375113-0.037699111姿態(tài)三肩部肘部編號Angle XAngle YAngl

58、e ZAngle X1140.002268861-0.0263544710.027576202-0.005235988151-0.4104893330.0808087430.041887901-0.068940504188-1.308434750.0315904590.201236459-0.134564883254-1.6079244170.0082030470.263544713-0.158650426324-1.0990014170.121823980.16545721-0.1139699983720.0352546110.024958208-0.082379539-0.03612831

59、5仿人機械臂各個電機參數(shù)的部分程序段：圖4.14 仿人機械臂各個電機參數(shù)仿人機械臂系統(tǒng)控制后得到的實際動作如下圖4.15(a)(b)(c)所示：圖4.15 (a)平舉；(b)向上曲臂；(c)向內(nèi)曲臂由圖像對比可看出，第一組平舉與第三組向內(nèi)曲臂，人體動作與最后控制仿人機械臂得到的動作較為吻合，第二組向上曲臂動作與人體動作存在誤差較大，造成誤差的原因包括：運動學求解時的計算誤差，外界環(huán)境干擾以及仿人機械臂電機精度誤差等?？傊?，本實驗可驗證，在C環(huán)境下，基于CANopen協(xié)議控制仿人機械臂的通訊系統(tǒng)較為成功。4.4本章小結(jié)本章分別進行了單軸電機的運動控制與仿人機械臂系統(tǒng)運動控制的實驗驗證，從客觀實際的角度得出了本文控制方法的正確性與可行性。第5章 全文總結(jié)和展望5.1總結(jié)機器人技術隨著社會持續(xù)不斷的發(fā)展，己被大規(guī)模廣泛應用于服務行業(yè)、教育、醫(yī)療、航空航天等領域。人機交互一直是機器人學研究的重