專利名稱：基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種機(jī)電智能控制技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于CANopen協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)(Controllor Area Network Open Protocol)的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人是機(jī)械電子研究領(lǐng)域最高研究成果的代表。機(jī)械手臂作為最早出現(xiàn)的機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門(mén)。近幾年，智能機(jī)器人成為最新的機(jī)器人研究方向之一，機(jī)械臂也越來(lái)越小型化、智能化，應(yīng)用范圍也從工業(yè)向社會(huì)各行各業(yè)滲透，在服務(wù)，醫(yī)療，教育，娛樂(lè)等多個(gè)社會(huì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。比如家庭服務(wù)機(jī)器人，機(jī)器人一般安裝有一條或兩條仿人機(jī)械臂，代替人手的功能。由于仿人機(jī)械臂具有人類手臂的外觀，更具靈活性，因而可以最高程度的適應(yīng)人類的生活和工作環(huán)境，代替人類完成各種日常任務(wù)，在很多方面擴(kuò)展人類的能力。除了外形結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂的控制系統(tǒng)是機(jī)械臂的重要組成部分，它相當(dāng)于人的大腦，由它來(lái)指揮機(jī)械臂的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械臂和機(jī)器人其他各個(gè)系統(tǒng)的關(guān)系。機(jī)械臂控制系統(tǒng)的控制內(nèi)容應(yīng)包括機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)伺服控制，包括應(yīng)到達(dá)的位置、應(yīng)走過(guò)的路徑、動(dòng)作時(shí)間間隔、運(yùn)動(dòng)速度；機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，包括當(dāng)前位置，當(dāng)前速度，關(guān)節(jié)電機(jī)電流；手臂的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，比如機(jī)械手作用在抓取物上的作用力，碰撞檢測(cè)傳感器的信息等。此外，有別于工廠相對(duì)固定的工作環(huán)境，為了適應(yīng)生活中復(fù)雜多變的工作環(huán)境，機(jī)械手臂上所需要的傳感器數(shù)量越來(lái)越多，信息傳輸量也大大增大。這些都對(duì)機(jī)械臂的控制系統(tǒng)提出了更高的要求。一個(gè)穩(wěn)定、可靠、高效的控制系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)高精度的機(jī)械臂來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。采用總線技術(shù)進(jìn)行分布式控制，是當(dāng)前高精度機(jī)械臂控制普遍采用的技術(shù)。分布式系統(tǒng)采用開(kāi)放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)。各個(gè)功能子系統(tǒng)都采用模塊化設(shè)計(jì)方法，各個(gè)模塊相互獨(dú)立，互不影響，同時(shí)工作，各個(gè)模塊通過(guò)總線相互連接，并最終連接到總控制終端。當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增功能節(jié)點(diǎn)方便地連入總線或從總線上卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他功能節(jié)點(diǎn)的工作。而傳統(tǒng)式的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的機(jī)械臂功能模塊都要連接到控制器，當(dāng)功能模塊數(shù)目增加時(shí)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得龐大，連線困難，穩(wěn)定性， 可靠性都要大打折扣，不利于機(jī)械手的小型化和實(shí)用化。經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1434391，名稱基于通用串行總線接口的個(gè)人機(jī)械臂系統(tǒng)，以及中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1586829，名稱基于分布式控制的即插即用機(jī)械臂系統(tǒng)，這兩個(gè)專利實(shí)現(xiàn)了基于通用串行總線USB實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的分布式控制，支持熱插拔，具有可擴(kuò)展性。但是通用串行總線技術(shù)USB還存在著眾多缺點(diǎn)，影響其在控制上的應(yīng)用。比如理論上，USB可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)127個(gè)設(shè)備的串列連接，但是在實(shí)際應(yīng)用中，3到4個(gè)設(shè)備就可能導(dǎo)致一些設(shè)備失效。另外，盡管USB本身可以提供500mA的電流，但一旦碰到高電耗的設(shè)備或者設(shè)備數(shù)量增加，就會(huì)導(dǎo)致供電不足，常常出現(xiàn)設(shè)備無(wú)法識(shí)別。并且手臂上電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，在抗干擾能力方面，USB還無(wú)法達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN101131586,名稱機(jī)械臂系統(tǒng)中的M-LVDS高速串行通信裝置及其通信控制方法，引入了 M-LVDS高速串行通信裝置，極大的提高了通信速率，但是M-LVDS不太可能應(yīng)用于噪聲干擾嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境，僅僅適用于通信應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性都得到了進(jìn)一步的提高，可以根據(jù)實(shí)際不同任務(wù)，方便的擴(kuò)展添加傳感器，以完成日常生活中的各種任務(wù)比如拿起桌上的杯子，因而具有可擴(kuò)展性，這為日后服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入廣大家庭提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括主控模塊、總線接口模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、通信總線、監(jiān)控模塊和機(jī)械臂，其中主控模塊與總線接口模塊相連接以傳輸控制信息并從總線接口模塊接收反饋得到的手臂狀態(tài)信息，總線接口模塊與CAN 總線相連接并將主控模塊下發(fā)的控制信息發(fā)送到CAN總線上，總線接口模塊從CAN總線上接收反饋信息發(fā)送至主控模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與CAN總線相連接并接收CAN總線上下發(fā)的控制信息進(jìn)而伺服控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)同時(shí)反饋受控關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，傳感器模塊與CAN 總線相連接并傳輸傳感器信息，監(jiān)控模塊直接到CAN總線上并傳輸控制信息和獲取機(jī)械臂狀態(tài)信息，機(jī)械臂與機(jī)器人本體直接相連接。所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電源電路、驅(qū)動(dòng)處理器、碼盤(pán)信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路，其中驅(qū)動(dòng)電源電路與各個(gè)電路模塊直接相連并為其提供所需工作電壓，驅(qū)動(dòng)處理器與碼盤(pán)信號(hào)采集電路相連并采集電子碼盤(pán)反饋的信號(hào)， 進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)處理器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接相連并輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)處理器與CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連，接受或者發(fā)送控制指令。所述的傳感器模塊包括傳感器電源電路、傳感處理器、傳感器電路和傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路，其中傳感器電源電路與各個(gè)部分直接相連并為其提供所需工作電壓，傳感處理器與傳感器電路相連并將傳感器信號(hào)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳感處理器與傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連并通過(guò)傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路接受或者發(fā)送指令。所述的機(jī)械臂包括直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械臂傳感器、鋁合金骨架、手掌、關(guān)節(jié)電機(jī)和舵機(jī)，其中鋁合金骨架安裝在機(jī)器人肩部，手掌安裝在鋁合金骨架的末端，關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在鋁合金骨架的各個(gè)關(guān)節(jié)處，舵機(jī)安裝在手掌手指處，驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂傳感器和直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊直接安裝在鋁合金骨架上。本發(fā)明通過(guò)PCCAN卡將主控計(jì)算機(jī)與CAN總線相連，用戶可以在主控計(jì)算機(jī)上通過(guò)設(shè)計(jì)好的軟件觀察機(jī)械臂的實(shí)時(shí)狀態(tài)，并可通過(guò)相應(yīng)界面控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。工作時(shí)，用戶首先將所需模塊均連接到CAN總線上，并且設(shè)置好所有在線模塊的ID可以在硬件上直接通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置上電默認(rèn)ID，也可在軟件里進(jìn)行更改、設(shè)置CAN總線的波特率最高可達(dá) Mbps0設(shè)置好以后，啟動(dòng)總線系統(tǒng)，此時(shí)，用戶可以通過(guò)相應(yīng)的界面對(duì)不同的模塊進(jìn)行操作。 對(duì)于直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊，用戶可以直接利用鼠標(biāo)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，主控計(jì)算機(jī)自動(dòng)會(huì)把目標(biāo)角度，運(yùn)動(dòng)速度，加速度根據(jù)CANopen協(xié)議寫(xiě)入數(shù)據(jù)包，通過(guò)CAN總線發(fā)送至相應(yīng)關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊的微控制器收到指令后會(huì)回復(fù)一條指令，通知主控計(jì)算機(jī)指令收到。與此同時(shí)，微控制器自動(dòng)根據(jù)期望角度值，控制電機(jī)以期望運(yùn)動(dòng)速度，加速度開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并且定周期反饋當(dāng)前的位置，速度。而主控計(jì)算器不需要再控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，只需接受各個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，包括絕對(duì)角度相對(duì)于機(jī)械零位，角速度， 電機(jī)電流，更新顯示在界面上。對(duì)于傳感器模塊，界面上將顯示各個(gè)傳感器模塊的輸出信息，這樣便完成了實(shí)時(shí)控制。由于各個(gè)模塊自身又是一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)獨(dú)立于上級(jí)系統(tǒng)自動(dòng)工作，因此上層的主控計(jì)算機(jī)的只需處理指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)采集顯示，因而主控計(jì)算機(jī) CPU的負(fù)載較低，具有充分的裕度，提高了控制的實(shí)時(shí)性，可靠性。當(dāng)需要新增加或更換傳感器模塊或是增加、減少機(jī)械臂關(guān)節(jié)時(shí)，只需將不需要的模塊取下，連接上新的模塊，再按照前所描述的過(guò)程，設(shè)置好ID以及波特率，即可馬上使用。在設(shè)計(jì)調(diào)試階段或者維修階段，監(jiān)控模塊可在CAN總線的任何位置接入總線，使用特制的軟件，可以讀取總線上的數(shù)據(jù)，獲取系統(tǒng)當(dāng)前各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，也可作為往總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。本發(fā)明采用基于CANopen的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單貫穿手臂的連線只有根線電源正負(fù)以及CAN總線高低信號(hào)線，可靠穩(wěn)定，擴(kuò)展方便的機(jī)械臂系統(tǒng)。采用此套控制系統(tǒng)的上海交大交龍服務(wù)機(jī)器人成功在上海世博會(huì)的大眾參與館上展出，并完成了打招呼、握手、抓取桌上的杯子等日常任務(wù)。本發(fā)明所使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳感器均采用模塊化設(shè)計(jì)理念，統(tǒng)一接口，方便更換、擴(kuò)展，相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了效率，并且有利于日后在現(xiàn)有基礎(chǔ)上改進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，使機(jī)械臂具有很高的適應(yīng)性、可擴(kuò)展性。


圖1是本發(fā)明整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1主控計(jì)算機(jī)、2PC104CAN卡、3直流電機(jī)伺服控制模塊、3_1微處理器、3_2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、4傳感器模塊、4-1微處理器、4-2各個(gè)傳感器、5CAN總線、6監(jiān)控模塊。圖2是本發(fā)明功能框圖。圖3是本發(fā)明各功能模塊的通用接口示意圖。圖4是本發(fā)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明機(jī)械臂安裝結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施例包括主控模塊1、總線接口模塊2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3、傳感器模塊4、通信總線5、監(jiān)控模塊6和機(jī)械臂7，其中主控模塊1與總線接口模塊2相連接以傳輸控制信息并從總線接口模塊2接收反饋得到的手臂狀態(tài)信息，總線接口模塊2與CAN 總線相連接并將主控模塊1下發(fā)的控制信息發(fā)送到CAN總線上，總線接口模塊2從CAN總線上接收反饋信息發(fā)送至主控模塊1，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3與CAN總線相連接并接收CAN總線上下發(fā)的控制信息進(jìn)而伺服控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)同時(shí)反饋受控關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，傳感器模塊4與CAN總線相連接并傳輸傳感器信息，監(jiān)控模塊6直接到CAN總線上并傳輸控制信息和獲取機(jī)械臂7狀態(tài)信息，機(jī)械臂7與機(jī)器人本體直接相連接。所述的主控模塊1通過(guò)主控計(jì)算機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。所述的監(jiān)控模塊6通過(guò)監(jiān)控計(jì)算機(jī)得以實(shí)現(xiàn)。所述的總線接口模塊2通過(guò)PC104CAN卡得以實(shí)現(xiàn)。所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3包括驅(qū)動(dòng)電源電路8、驅(qū)動(dòng)處理器9、碼盤(pán)信號(hào)采集電路 10、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路11以及CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路12，其中驅(qū)動(dòng)電源電路8與各個(gè)電路模塊直接相連，為其提供所需工作電壓。驅(qū)動(dòng)處理器9 與碼盤(pán)信號(hào)采集電路10相連，采集電子碼盤(pán)反饋的信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的工作狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)處理器9與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路11直接相連，驅(qū)動(dòng)處理器輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)處理器9與CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路12直接相連，接受或者發(fā)送控制指令。所述的傳感器模塊4包括傳感器電源電路13、傳感處理器14、傳感器電路15和傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路16，其中傳感器電源電路13與各個(gè)部分直接相連，為其提供所需工作電壓。傳感處理器14與傳感器電路15相連，將傳感器信號(hào)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。傳感處理器14與傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路16直接相連，通過(guò)傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路接受或者發(fā)送指令。所述的通信總線5包括CAN總線17以及終端匹配電阻120R，其中CAN總線17與各個(gè)功能模塊相連，在終端，CAN總線17串聯(lián)一個(gè)終端匹配電阻 120R。如圖3中所示。所述的機(jī)械臂7包括直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊18、機(jī)械臂傳感器19、鋁合金骨架 20、手掌21、關(guān)節(jié)電機(jī)22和舵機(jī)23，其中鋁合金骨架20安裝在機(jī)器人肩部，手掌21安裝在鋁合金骨架20的末端。關(guān)節(jié)電機(jī)22安裝在鋁合金骨架20的各個(gè)關(guān)節(jié)處。舵機(jī)23安裝在手掌21手指處，驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊18和機(jī)械臂傳感器19直接安裝在鋁合金骨架20上。所述的直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊18由微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，其中微處理器通過(guò)采集關(guān)節(jié)直流電機(jī)的數(shù)字碼盤(pán)信號(hào)并得到反饋信息，通過(guò)PID算法閉環(huán)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，速度控制實(shí)現(xiàn)控制手臂的運(yùn)動(dòng)。所述的直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊18分別與通信總線5相連接并接收控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)獨(dú)立控制。所述的機(jī)械臂傳感器19由微處理器和傳感器實(shí)現(xiàn)，其中微處理器通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊ADC將模擬信號(hào)輸出型傳感器的輸出信號(hào)采集，或根據(jù)傳感器設(shè)定的通信協(xié)議采集傳感器的輸出信號(hào)，然后通過(guò)通信總線反饋回主控模塊1。本裝置通過(guò)以下方式進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用本實(shí)施例為一個(gè)家庭服務(wù)機(jī)器人上的一條 6D0F自由度的仿人關(guān)節(jié)機(jī)械臂，該機(jī)械臂各關(guān)節(jié)配置模仿人手關(guān)節(jié)自由度配置，如圖1右邊所示，因而該機(jī)械臂可模仿人手動(dòng)作，完成人類可完成的日常任務(wù)。6個(gè)關(guān)節(jié)分別由6個(gè)直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)，直接連接在CAN總線上，節(jié)點(diǎn)ID分別設(shè)置為0X01 0X06，此外，每個(gè)手臂上都安裝有加速度傳感器模塊，手掌上還安裝有力傳感器模塊，這些傳感器模塊也直接連接到CAN總線上。主控計(jì)算機(jī)采用的是一臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)，其通過(guò)PC104CAN卡連接到CAN總線上，其ID默認(rèn)為0X00，所有模塊均接受主控計(jì)算機(jī)下發(fā)的指令，向主控計(jì)算機(jī)反饋信息。監(jiān)控模塊可以使任意一臺(tái)筆記本電腦或者掌上電腦。在設(shè)計(jì)調(diào)試階段或者維修階段，監(jiān)控模塊通過(guò)USBCAN設(shè)備在CAN總線的任何位置接入總線，監(jiān)控模塊的ID可任意設(shè)置為空閑ID，使用特制的軟件，可以直接讀取總線上的數(shù)據(jù)，獲取系統(tǒng)當(dāng)前各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，檢查總線當(dāng)前狀態(tài)。也可作為往總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。圖2表示了整個(gè)系統(tǒng)的功能流程圖。工作時(shí)，用戶首先將所需模塊均連接到CAN總線上，并且設(shè)置好所有在線模塊的ID可以在硬件上直接通過(guò)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)設(shè)置上電默認(rèn)ID，也可在軟件里進(jìn)行更改、設(shè)置CAN總線的波特率最高可達(dá)1Mbps。設(shè)置好以后，啟動(dòng)總線系統(tǒng)， 此時(shí)，用戶可以通過(guò)相應(yīng)的界面對(duì)不同的模塊進(jìn)行操作。用戶可以直接利用鼠標(biāo)拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)或者控制整個(gè)手臂的動(dòng)作。此時(shí)，主控計(jì)算機(jī)自動(dòng)會(huì)把規(guī)劃好的目標(biāo)角度， 運(yùn)動(dòng)速度，加速度根據(jù)協(xié)議寫(xiě)入數(shù)據(jù)包，通過(guò)CAN總線發(fā)送至相應(yīng)關(guān)節(jié)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊的微控制器收到指令后會(huì)回復(fù)一條指令，通知主控計(jì)算機(jī)指令收到。與此同時(shí)，微控制器自動(dòng)根據(jù)期望角度值，控制電機(jī)以期望運(yùn)動(dòng)速度，加速度開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，并且定周期反饋當(dāng)前的位置，速度。而主控計(jì)算器不需要再控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，只需接受各個(gè)關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，包括絕對(duì)角度相對(duì)于機(jī)械零位，角速度，電機(jī)電流，更新顯示在界面上。對(duì)于傳感器模塊，界面上將定期接收并顯示各個(gè)傳感器模塊的信息，這樣便完成了實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)異常情況時(shí)比如某個(gè)關(guān)節(jié)失控，出現(xiàn)飛轉(zhuǎn)，主控計(jì)算機(jī)可及時(shí)響應(yīng)停止運(yùn)動(dòng)，并且實(shí)時(shí)報(bào)警，防止造成人員傷亡。由于各個(gè)模塊自身又是一個(gè)子系統(tǒng)，子系統(tǒng)獨(dú)立于上級(jí)系統(tǒng)自動(dòng)工作，因此上層的主控計(jì)算機(jī)的只需處理指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)采集顯示，而不需要再實(shí)時(shí)控制所有的子系統(tǒng)，因而主控計(jì)算機(jī)CPU的負(fù)載較低，具有充分的裕度，提高了控制的實(shí)時(shí)性，可靠性。當(dāng)需要新增加或更換傳感器模塊或是增加、減少機(jī)械臂關(guān)節(jié)時(shí)，只需將不需要的模塊取下，連接上新的模塊，再按照前所描述的過(guò)程，設(shè)置好ID以及波特率，即可馬上使用。在設(shè)計(jì)調(diào)試階段或者維修階段，監(jiān)控模塊可在CAN總線的任何位置接入總線，實(shí)現(xiàn)同主控計(jì)算機(jī)一樣的功能。圖3為模塊的通用接口示意圖，對(duì)于不同功能的模塊，均統(tǒng)一接口，以實(shí)現(xiàn)快速更換，增加擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。本例中所用到的電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊以及傳感器模塊中所采用的微處理器是意法半導(dǎo)體公司的STM32F10X系列，該系列微處理器可同時(shí)產(chǎn)生3路獨(dú)立的PWM 信號(hào)，即可同時(shí)控制3個(gè)直流電機(jī)，在本裝置中，每個(gè)處理器只控制2個(gè)電機(jī)，第三路PWM可擴(kuò)充控制機(jī)械手手掌上的舵機(jī)，以實(shí)現(xiàn)手掌手指的動(dòng)作。另外STM32F10X系列還有2個(gè)16 通道、12位精度的ADC轉(zhuǎn)換模塊，最快轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)lus，可方便的采集各種傳感器的電壓信號(hào)。此外STM32F10X還具有豐富的通信接口，如I2C，USARTs，SPIs，CAN，USB 2.0。因此以STM32F10X為控制核心，進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)具有各種功能的功能模塊。而通過(guò)CAN總線接口組成總線系統(tǒng)，基于CANopen協(xié)議，與其他模塊進(jìn)行通信，又實(shí)現(xiàn)了不同功能模塊的接口統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的靈活性。圖4是本實(shí)施例電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和傳感模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。驅(qū)動(dòng)電源電路與各個(gè)電路模塊直接相連，為其提供所需工作電壓。驅(qū)動(dòng)處理器與碼盤(pán)信號(hào)采集電路相連，采集電子碼盤(pán)反饋的信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的工作狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)處理器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接相連，驅(qū)動(dòng)處理器輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)處理器與CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連，接受或者發(fā)送控制指令。傳感器電源電路也與各個(gè)部分直接相連，為其提供所需工作電壓。傳感處理器與傳感器電路相連，將傳感器信號(hào)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。傳感處理器與傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連，通過(guò)傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路接受或者發(fā)送指令。
圖5是本實(shí)施例機(jī)械臂安裝結(jié)構(gòu)示意圖。鋁合金骨架安裝在機(jī)器人肩部，手掌安裝在鋁合金骨架的末端。關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在鋁合金骨架的各個(gè)關(guān)節(jié)處。舵機(jī)安裝在手掌手指處，驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂傳感器和直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊直接安裝在鋁合金骨架上。
權(quán)利要求
1.一種基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于，包括主控模塊、總線接口模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、通信總線、監(jiān)控模塊和機(jī)械臂，其中主控模塊與總線接口模塊相連接以傳輸控制信息并從總線接口模塊接收反饋得到的手臂狀態(tài)信息，總線接口模塊與CAN總線相連接并將主控模塊下發(fā)的控制信息發(fā)送到CAN總線上，總線接口模塊從CAN總線上接收反饋信息發(fā)送至主控模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與CAN總線相連接并接收CAN 總線上下發(fā)的控制信息進(jìn)而伺服控制關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)同時(shí)反饋受控關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，傳感器模塊與CAN總線相連接并傳輸傳感器信息，監(jiān)控模塊直接到CAN總線上并傳輸控制信息和獲取機(jī)械臂狀態(tài)信息，機(jī)械臂與機(jī)器人本體直接相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是，所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括驅(qū)動(dòng)電源電路、驅(qū)動(dòng)處理器、碼盤(pán)信號(hào)采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及 CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路，其中驅(qū)動(dòng)電源電路與各個(gè)電路模塊直接相連并為其提供所需工作電壓，驅(qū)動(dòng)處理器與碼盤(pán)信號(hào)采集電路相連并采集電子碼盤(pán)反饋的信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出電機(jī)的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)處理器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直接相連并輸出PWM信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)處理器與CAN總線通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連，接受或者發(fā)送控制指令。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是，所述的傳感器模塊包括傳感器電源電路、傳感處理器、傳感器電路和傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路，其中 傳感器電源電路與各個(gè)部分直接相連并為其提供所需工作電壓，傳感處理器與傳感器電路相連并將傳感器信號(hào)采集轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳感處理器與傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路直接相連并通過(guò)傳感器通信驅(qū)動(dòng)電路接受或者發(fā)送指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是，所述的機(jī)械臂包括直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊、機(jī)械臂傳感器、鋁合金骨架、手掌、關(guān)節(jié)電機(jī)和舵機(jī)， 其中鋁合金骨架安裝在機(jī)器人肩部，手掌安裝在鋁合金骨架的末端，關(guān)節(jié)電機(jī)安裝在鋁合金骨架的各個(gè)關(guān)節(jié)處，舵機(jī)安裝在手掌手指處，驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂傳感器和直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊直接安裝在鋁合金骨架上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是，所述的直流電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)模塊由微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，其中微處理器通過(guò)采集關(guān)節(jié)直流電機(jī)的數(shù)字碼盤(pán)信號(hào)并得到反饋信息，通過(guò)PID算法閉環(huán)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，速度控制實(shí)現(xiàn)控制手臂的運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征是，所述的機(jī)械臂傳感器由微處理器和傳感器實(shí)現(xiàn)，其中微處理器通過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊ADC將模擬信號(hào)輸出型傳感器的輸出信號(hào)采集，或根據(jù)傳感器設(shè)定的通信協(xié)議采集傳感器的輸出信號(hào)，然后通過(guò)通信總線反饋回主控模塊。
全文摘要
一種機(jī)電智能控制技術(shù)領(lǐng)域的基于CANopen的分布式模塊化機(jī)械臂系統(tǒng)，包括主控模塊、總線接口模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、通信總線、監(jiān)控模塊和機(jī)械臂。本發(fā)明具有簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的同時(shí)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、抗干擾性都得到了進(jìn)一步的提高，可以根據(jù)實(shí)際不同任務(wù)，方便的擴(kuò)展添加傳感器，以完成日常生活中的各種任務(wù)比如拿起桌上的杯子，因而具有可擴(kuò)展性，這為日后服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入廣大家庭提供了基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)B25J13/00GK102179815SQ20111009415
公開(kāi)日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月14日
發(fā)明者唐奧林, 曹其新, 譚宏斌, 鄧成呈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)