本科生提交学年文要求

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本科生毕业论文(设计)

题目远程机器人力反馈遥控器设计

学院制造科学与工程学院

专业机械设计制造及其自动化

学生姓名张锐

学号0543021248年级2005级

指导教师罗华

教务处制表

二ΟΟ九年六月十日

远程机器人力反馈遥控器设计

机械设计制造及其自动化专业

学生张锐指导老师罗华

摘 要:远程机器人由于可以代替人在极限环境下进行作业而受到越来越多的重视和研究,力反馈遥控器对于提高远程机器人的操作性能和工作效率具有十分重要的意义.论文对力反馈遥控器进行了整体设计.首先,分析了当今力反馈技术以及力反馈装置的现状,在普通遥控器的基础上,安装了力矩电机和精密电位计,设计成为力反馈装置.其次,对遥控器控制系统的硬件进行了设计.本遥控器的单片机选用8051芯片,实现对编码器的信号进行处理,以及对力矩电机的控制.单片机系统与PC机系统的通信接口采用USB串行接口,论文设计了其接口电路,同时还进行了电动机的驱动电路,键盘接口电路以及单片机抗干扰的设计.再次,对遥控器部分驱动程序进行了设计,保证遥控器功能的实现.最后,用Pro/E设计了遥控器的外形.本论文设计是遥控器以实物为基础进行设计的,理论上能够实现对机器人的力反馈遥控操作.

关 键 词:远程机器人力反馈单片机遥控器

目录

第一章绪论1

1.1引言1

1.2选题的目的和意义1

1.3远程机器人的总体分析2

1.3.1远程机器人的构成2

1.3.2本课题机器人从手结构3

1.3.3双向力反应4

1.4本文研究内容4

第二章力反馈技术的分析5

2.1力反馈装置的分类5

2.2力反馈装置的特点7

2.2.1结构型式7

2.2.2力反馈实现方式8

2.2.3力反馈操纵装置的控制方式8

2.2.4力反馈操纵装置性能指标8

2.3力反馈装置的关键技术分析9

2.3.1.性能要求9

2.3.2结构设计11

2.3.3驱动方式12

2.3.4检测与控制系统结构12

第三章遥控器控制系统分析14

3.1通信模块14

3.2关节信号采集模块15

3.3力反馈模块15

3.4辅助指令模块15

第四章力反馈遥控器硬件设计16

4.1USB接口系统17

4.1.1USB总结拓朴结构17

4.1.2USB接口芯片选取17

4.1.3USB接口电路20

4.1.4RS-485接口电路20

4.2位置检测系统21

4.3力矩电机系统22

4.3.1力矩电机的选择22

4.3.2电机驱动电路22

4.4键盘接口设计24

4.5抗干扰设计26

第五章力反馈遥控器程序设计28

5.1USB接口程序设计28

5.1.1端点选择28

5.1.2整体固件结构29

5.1.3主程序设计29

5.1.4中断服务程序30

5.1.5请求处理程序30

5.2光电编码器信号处理部分程序31

5.3RS-485程序34

第六章力反馈遥控器结构及外形设计37

6.1遥控器任务分析37

6.2遥控器的结构设计38

6.2.1力反馈装置的主体设计38

6.2.2遥控杆的设计39

6.2.3遥控器外形的设计40

6.2.4底座的设计41

6.2.5最终装配41

6.3遥控器实现的功能42

第七章总结与展望43

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CyberImpact手控制器是一种小型的可反向驱动的机器人,如图2-2所示,具有6个自由度,由6个无刷直流伺服电机驱动.三个坐标轴的位置分辨率为0.0003,三个坐标轴的转动分辨率为1/90度或40分,转动范围为90-180度,最大输出力为95-111牛顿,最小的输出力为0.56-0.83牛顿.手接触式交互装置,如图2-3CAD模型所示,包括2个串联杆,称之为手指机构,每个杆件具有3个被驱动的转动副.用户通过把指尖放入该装置的套管里便能够感受到反馈回来的力.放置在末端的球关节使该机构能够到达用户指尖所指的任何方向.

并联结构力/力矩反馈装置并联结构力/力矩反馈装置主要的结构形式是采用并联机构作为运动平台,把控制器固定在并联机构的运动平台上[8].最早的并联机构Steward平台就是应用在飞行模拟器上.飞行舱放在Steward运动平台上,机构随着驾驶员的控制模拟飞机的飞行,使驾驶员感觉处于真实的环境.最简单的并联力/力矩反馈装置是2自由度的游戏手柄,如微软力反馈摇杆SideWinderForceFeedbackPro,见图2-4.这种摇杆控制是无接触性光电控制,其X,Y坐标控制及力度控制也都使用光控,当操作者移动手柄时,发光管随着手柄移动,接收电路则不断地输出手柄位置移动的信号给电脑.电脑将根据游戏的情节,控制电机正,反旋转(旋转方向与操作者手动作方向相反).然后通过一套机械传动机构来产生对手柄X,Y方向的力反馈效果,同时电机通入电流大时,力反馈效果就强.

华盛顿大学生物机器人实验室研究的线演示器(LHD)-Excalibur是3自由度的力反馈装置,具有很大的工作空间,输出力和结构刚度.它的特点是具有已申请专利的钢索传输系统,使得三个互相垂直的移动轴方向具有高的力和刚度.电机安装在机构的基座上,所以只有质量较轻的联接元件随手柄移动,如图2-5所示.

混联结构力/力矩反馈装置混联结构的力/力矩反馈装置一般结构形式是把几种并联机构串接到一起或者把串联和并联机构串接到一起工作.目前做的比较成功的有韩国的智能机器人研究中心(IntelligenRoboticsResearchCenter)研制的制动式被动触觉显示装置(PassiveHaptDisplaywithBrakes),VRAI(VirtualRealityandActiveInterfaces)工作组的DELTEA力反馈装置和空间机械实验室(SpaceMachinesLaborator的6自由度力反馈装置.韩国的制动式被动触觉显示装置其结构特点为:下部是3-DOF的平面并联结构,为x,y方向的移动和z方向的转动三个自由度.上部3-DOF的空间并联结构具有z方向的移动和x,y方向的转动三个自由度.两部分相连就组成新的6-DOF力反馈装置,如图2-6所示.图a制动式触觉显示装置,图bVRAI的DELTA力反馈装置.

2.2力反馈装置的特点

2.2.1结构型式

根据与操作者肢体的相互作用关系,现有的力反馈装置可以分为:基于手指的装置,基于手部的装置,基于上肢的外骨骼装置等,自由度数目由2个至6个甚至更多.按照力反馈操纵装置的结构型式可以分为:串联,并联,串-并联等型式.串联结构具有工作空间大,运动学正解容易的优点,但各环节的累积误差较大,逆解复杂,精确的运动控制难以实现.与串联机构相比,并联机构是复杂的空间多环机构,构件数目多,构件间存在严重的耦合关系,动力学计算复杂,运动学正解复杂,逆解容易,可以对平动与转动实行解耦,以提高控制精度,机构具有刚度大,承载能力大,无积累误差,自重平衡较好及各向同性较好等特点,因而,基于并联机构(如Stewart平台)的力觉交互装置引起关注.但不足之处是工作空间范围小,姿态变化幅度有限.而串-并联机构综合了串联机构工作空间大和并联机构结构紧凑的特点,因而,也逐渐受到重视.根据主,从机械手结构型式,自由度数是否相同,力反馈装置可以分为同构式与异构式两种.对于同构式力反馈装置,从手按比例跟随主手运动,结构简单,运动及控制较容易实现,目前,国,内外以同构式为主.但只适用单一的从机械手,缺乏通用性.异构式的主,从机械手结构及运动关系不明确,二者的运动和动力对应关系需在计算机中经过运动学和动力学正逆解算,将关节空间映射到操作空间,通过合理地选择主,从手之间的力和运动比例,将其分配到力反馈装置的各个关节上,由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息,控制算法比较复杂,但运动形式灵活多样,通用性强,更适合现代机器人智能化的需要,是一个重要的研究方向.

2.2.2力反馈实现方式

力反馈是将关节空间的力映射为操作空间的力,最终在操作者手指或手部实现力觉反馈的过程.力觉的产生需要通过一定的动力元件完成,由于操作空间的力与操作者的手部直接接触,要求动力元件具有足够的带宽和动态范围,较大的功率密度(功率/重量比或功率/体积比)以及安全可靠.现有的力反馈实现方式可分为主动和被动两种形式.主动形式是指反馈力通过动力元件及传动机构直接作用在操作者肢体上,使操作者获得真实力觉的形式.动力元件有力矩电机,直流伺服电机,振动器以及气缸,液压缸,气动人工肌肉,电流变流体,磁悬浮,形状记忆合金,压电晶体,电致和磁致伸缩机构等.被动(又称为本质无源)形式是指当从机器人与环境发生接触时,利用电机堵转(抱闸),塑性紧固等方式使机构失去自由度,当操作者肢体移动时感觉到机构或装置的反作用力,从而获得力反馈的方式.主动形式需要限制力/力矩,以免力/力矩过大对使用者造成伤害,而被动形式要求操作者主动向机构施力,否则就感觉不到力,而且无法进行误差补偿.

2.2.3力反馈操纵装置的控制方式

力反馈操纵装置的控制方式可以分为主-从完全匹配型和通用匹配型.主-从完全匹配型是针对特定机械手的主-从控制,主手的结构,自由度分布以及工作空间都与从机械手相同,比较容易实现主-从双向伺服控制,并得到较好的控制结果.但移植性较差,无法与其他结构型式的机械手匹配.通常,工业机械手的结构和自由度与人体的关节结构和自由度分布不同,使操作的舒适性和协调性不佳,导致操作不便.通用匹配型是为了提高控制的舒适性和协调性,将力反馈装置尽量设计成与人体的关节,自由度及运动范围相符.但是,这种类型的主手通常与从机械手的结构,自由度以及工作空间都有较大的差别,需要通过运动学,动力学正逆解,产生控制和反馈指令.目前,主要有点对点,姿态对姿态等多种匹配方法.对于更一般的匹配问题,需要建立一种方便有效的方法,通过调整操作空间与关节空间中的各个参数,达到良好的匹配效果.

2.2.4力反馈操纵装置性能指标

随着远程机器人应用领域的不断扩大,从机械手的结构趋于多样化,一般需要根据从机械手的应用场合设计力反馈操纵装置.力反馈操纵装置均由特定的机构组成,通常按照自由度数,工作空间,各向同性,结构奇异,灵巧度,位置精度等评价机构的性能指标进行设计,但作为力反馈操纵装置,除了应满足上述指标以外,还包括力反馈的范围(又称模拟刚度)和力反馈精度,动态特性以及人体工程学等指标.例如,力反馈装置可以用最大模拟刚度(N/m)来评价.研究表明,大多数操纵装置能够接受的刚度为20N/m,可以施加在操作者手指的最大值为40N/m,但是执行精确操作时,则不能超过10N/m.此外,为提高力反馈的精度,力反馈装置的动态特性应与人体的运动响应特性相适应[9].

2.3力反馈装置的关键技术分析

2.3.1.性能要求

远程机器人系统应用领域广泛,对于力反馈操纵装置的性能指标要求尚没有统一的标准,一般应根据具体主-从远程机器人系统的使用场合来决定.从功能上讲,力反馈操纵装置的作用主要包括两个方面,一方面,将操作者手部的位置和姿态信息实时准确地传送给远端机器人,另一方面,将从机器人与环境的相互作用力/力矩信息反馈给操作者.理想的力觉临场感能使操作者感知的力等于从手与作业对象之间的作用力,同时从手的位置跟踪主手的位置,此时的力反馈控制系统称为完全透明.总体上,应该具有结构简单,紧凑,操作灵活轻便,摩擦和惯性小,具有合适的操作空间和出力,符合操作者的动力学特性,通用性强等特点.概况起来主要包括以下几个方面:

(1)位置控制精度

通常,主手的运动将按照一定的映射关系变为从机器人的运动,因此,要求主手的位置控制精度较高.主手上的位移传感器实时检测手部的运动并将位移信息作为控制信号传送给从手,因此,位移传感器的检测精度是决定从手跟踪主手位移精度的重要因素,此外,减制造,安装误差和结构变形引起的非线性因素,也是主-从远程机器人系统完成精密操作务的前提条件之一.

(2)反馈力范围

主手的反馈力通常由力矩电机,液压或气动装置产生,反馈力应处于适当的范围,反馈力的下限与机械结构,摩擦力,惯性力有关.研究表明,在信息感知方面,人只能在生理极限能够承受的环境中,进行有限小阈值范围内,模糊定性的感知.因此,主手的力觉阈值小于人手的最小感知阈值将是力反馈操纵装置设计的目标之一.主手承受的主动载荷为人手的作用力,一般不超过10kg,长时间工作时的载荷更小,反馈力的上限应使操作者操作安全,不易产生疲劳感.

(3)动态特性

为了使操作者产生灵敏的力觉,要求力反馈操纵装置的各个运动副运动灵活,摩擦力小,使主手的动态响应与人手能够感知的信号频率范围相匹配,这种性能将取决于力反馈操纵装置的结构及驱动元件的动态响应特性.

(4)各向同性

主手的各向同性主要是指在任何位置和姿态下动力学参数的一致性,如摩擦力,重力和惯性张量在不同位姿下的一致性,特别是惯性张量的一致性,它是主手位姿的函数,若其数值变化较大,则会造成同样大小的反馈力,在力反馈操纵装置处于不同位姿时给人造成不同的力感觉,因此,应设法使驱动元件的力/力矩控制信息中不包含与位姿有关的信息或减小其影响.

(5)稳定性

稳定性是主-从远程机器人系统正常工作的基本条件.操作者与从机器人之间的通信时延是影响远程机器人系统稳定性的主要因素,时延降低了系统的稳定性,基于现代控制理论的方法,基于虚拟现实的方法和基于网络理论的方法有望消除或减小时延的影响.对于从机器人与作业对象碰撞冲击造成的稳定性问题,可设计一个自适应力控制器,其中包括一个扰动观测器和环境参数观测器,当环境刚性已知或工作过程化时,该控制器能够适应这种变化,保持良好的控制性能.

(6)人体工程学指标

在人-机关系中,人始终是工作的主体,人要完成监视

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操纵杆末端的绝对运动线速度小于1.0m/s,角速度小于1.0r/s,保证操作者的舒适安全,

手部的反作用力小于100N,

由操纵杆传递至手部的功率小于40W.

总之,为了实现力反馈操纵装置的性能,通常要求力反馈操纵装置具有适当的工作空间且在工作空间内无奇异点,低惯量,低摩擦,高刚性等特性,具有足够大的反馈力幅值和带宽,其形状,大小及阻力应适应人的操作肌体解剖结构与功能特点[10].

2.3.2结构设计

主手直接与操作者的手部交互,其结构型式,尺寸,制造加工精度等直接影响其操作性能和对环境感知的逼真度.

结构型式

串联机构各环节的累计误差较大,运动学正解容易,逆解复杂,精确的运动控制难以实现,但工作空间大.并联机构是复杂的空间多环机构,同串联机构相比,其构件数目多,构件间存在严重的耦合关系,从而使动力学方程相当复杂,工作空间范围小,姿态变化幅度有限.并联机构运动学逆解容易,但正解复杂,可以对平动与转动实行解耦,有利于提高控制精度,而且机构刚度大,承载能力大,无累计误差,因而,基于并联机构的操纵装置的设计研究越来越受到重视.串-并联机构综合了两者的优点,近年来出现了相应的力反馈操纵装置的研究成果.同构式是指主-从机械手结构型式,自由度相同,从手按比例跟随主手运动,具有结构简单,运动及控制较容易实现等特点,是国内外研究的主流.但占用空间较大,只能适用单一的从机械手,缺乏通用性.异构式的主-从机械手结构及运动关系不明确,二者的运动和动力对应关系需在计算机中经过运动学和动力学正,逆解算,将关节空间映射到操作空间,通过合理地选择主,从手之间的力比和位置比,将其分配到操纵装置的各个关节上,由各关节驱动元件产生操作者感知的力信息和从机器人的运动信息.通常,控制算法较复杂,但运动形式灵活多样,通用性强.理想的力反馈操纵装置应能够实现机械结构上解耦,从而简化运动学和动力学解耦运算问题,实现实时控制.

各向同性与结构非奇异性

主手在不同的位形时应具有力觉临场感的各向同性.雅可比矩阵的条件数反映了操作空间和关节空间之间速度和力线性传输的各向同性能力,对机构本身的运动控制特性有很大的影响.机构的结构尺寸与条件数的大小密切相关,条件数愈小,愈容易实现高精度的运动控制,各向同性越好.当条件数等于1时,机构处于最佳的运动传递性能,通常称机构的这一位形为各向同性.在确定结构参数时,一方面应使雅可比矩阵的条件数在关键工作位置处的数值尽量小,另一方面应使其正常工作范围处于条件数较小的区域内,以保证它具有良好的运动控制性能.当机器人机构处于某些特定的位形时,其雅可比矩阵成为奇异阵,行列式为零,这种位形称为奇异位形.当机构处于奇异位形时,其机构具有多余的自由度,将失去控制,因此在进行力反馈操纵装置结构设计时应避开奇异位形.

其他

操作者感知的环境的力/力矩信息受主手本身动力学特性的干扰,尤其当各关节的惯量和摩擦较大时,力感知的精度和灵敏度将大为降低.为了减小系统误差,实现高精度的力觉反馈,主手应具有足够的机械刚度,采用低惯性和低摩擦的关节结构,设法消除传动部件的摩擦,回程间隙等非线性因素,避免构件挠曲和弹性变形引起的位置误差,尽量减少中间环节,提高其动态响应频率.例如,采用液压驱动方式时,为了减小主手的阻抗,应选用低摩擦的液压执行元件,在满足工作性能要求的前提下,尽量使其结构紧凑,重量轻,以便为操作者提供高保真的力觉临场感.力觉临场感系统的一个特点是通过从机器人与作业对象交互的力反馈使操作者感知作业环境的动力学特性,因此,碰撞是不可避免的.碰撞过程中,控制系统的参数会发生变化而产生颤噪干扰,容易造成系统工作不稳定.因此,为了有效地抑制碰撞对系统造成的干扰,应在结构设计时采取一定的措施,减少反馈力对主手造成的反冲.基于人的远程机器人系统必须建立在以人为本的基础上,应从人机工程学的观点出发,处理好力觉临场感与操作的舒适性,宜人性,灵巧性,安全性,稳定性等性能之间的关系[11].

2.3.3驱动方式

通常,操纵装置由操作者和动力元件驱动,各关节驱动机构将力觉临场感提供给操作者,因此,驱动机构和驱动方式是为操作者提供力感知的关键.驱动机构很大程度上决定了主手本体的结构.对于驱动机构的基本要求是具有足够的带宽和动态范围,较大的功率密度(功率/重量比或功率/体积比),另外,由于与操作者的手部直接接触,因此,安全性要求必不可少.驱动方式的选择应考虑具体的使用场合,使用要求等因素,以满足操作者手部的力觉感知.传统的驱动方式有电动,气动,液压.直流力矩电机能够在长期堵转或低速运行时产生一定的力矩,并且可以直接带负载,具有反应速度快和转速波动小,低速稳定,机械特性和控制特性线性度好等特点,适合在位置伺服或低速伺服系统中做执行元件.气压传动具有柔性,安全,紧凑,重量轻等特点,而且清洁,不污染环境,适合作便携式的主手的驱动方式.但由于气体的可压缩性较大,因此很难实现精确的位置控制.液压传动具有功率密度大,响应快,可以实现精确的位置,力控制等一系列优点,但需要一套专门的泵站.近年来,由形状记忆合金机构,压电晶体驱动机构,电致和磁致伸缩驱动机构,气动肌肉等新型功能材料构成的驱动机构的出现,将在某些力反馈操纵装置中具有应用前景.

2.3.4检测与控制系统结构

通常,力,位移传感器是力觉临场感系统中必不可少的信息检测工具,传感器直接影响力觉临场感的性能,精度高(分辨率,灵敏度和线性度等),可靠性高和抗干扰能力强的传感器是实现力反馈操纵器功能的基础.传感器检测目的是充分利用主,从机械手两侧的力和位置(运动)信息,抑制惯性力,摩擦力等因素对力反馈的干扰,实现力觉闭环控制,提高透明性,通过位置的闭环控制,实现从手对主手的位置跟随.多维力/力矩传感器在力觉临场感中起重要作用,通常其输出的力是耦合的,这就要求传感器的信号处理系统进行软件解耦,因而检测系统较复杂.根据位移量的类型(直线或角位移)和位移控制精度选择位移传感器类型,精度,量程.研究表明,力传感器本身的刚性和安装位置对系统稳定性有影响,应尽量采用柔性大的腕力传感器,并且尽量靠近关节驱动器,减小操纵器本体动力学对稳定性的影响.对于主,从机械手系统,控制结构选择的主要问题是如何在系统的稳定性和临场感透明性之间实现折中.早期的遥操作控制结构主要有:位置-位置型,位置-力型,力反馈-位置型以及改进的力反馈-位置型等.其作用是在保证系统稳定的前提下,提高系统的操作性能.由于在遥操作系统中,时延不可避免,较大的时延通常会使系统不稳定.因此,近年来又出现了许多针对主,从机械手双向控制系统时延的各种控制方案,比如基于无源性,柔顺性,预测或自适应控制,滑模变结构控制等的各种不同控制方案,其主要区别在于采用主,从手两侧的位置和力信息的不同组合,构成不同的控制算法,实现多传感器的信息融合,从而实现从手对主手位置的跟随,并对主手驱动机构的力进行控制,同时保证系统的稳定性.研究表明,适当的控制策略可以有效地抑制系统内的动力学干扰.

力反馈系统的控制结构决定了主手上传感器的种类,数量,结构,安装位置,操纵器结构设计必须以控制结构为依据.控制策略不同,操纵器的控制(驱动)信号不同(力/力矩信号,位置/速度误差信号或几种信号的组合等),对操纵器本体的结构要求有很大差别,如有些要求可逆.此外,如果在主手上安装各种力,位移传感器,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

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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.

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器加USB收发芯片,USB收发芯片仅处理USB总线相关事务,微处理器完成协议处理和数据交换.如Philips的PDIUSBDll/12,National半导体公司的USBN960X等.这种方案的优点是灵活性大,可以根据要求选择微处理器,适合于产品的改型设计,缺点是需要两个芯片,电路设计,芯片间时序配合和调试比较复杂.第三种方案是采用带有微处理器的USB芯片,这些微处理器都是基于8051结构或者其它常见的结构.这类的芯片有外部区域数据总线,总线使用一个同步串行或并行接口来连接到MCU.芯片的一个中断管脚,在控制器收到USB数据或需要传送新数据时,会传送信号给MCU.此局部总线接口的速度,比USB最大传输速率小.这种实现USB接口的标准组件使得使用者可以在各种不同类型的微控制器中选择出一种最合适的微控制器,通过使用已有的结构和减少固件上的投资缩短了开发时间,减少了开发风险和费用[16].本文采用的是第三芯片,,即PHILIPS的ISP1581.

ISP1581是一种功能强大的通用串行总线(USB)接口器件,它完全符合USB2.0规范,并为基于微控制器或微处理器的系统提供了高速USB通信能力.ISP1581与系统的微控制器/微处理器的通信是通过一个高速的通用并行接口来实现的.ISP1581支持USB2.0系统运作的自动检测.USB1.1的返回工作模式允许器件在全速条件下也可以正常工作.它是一个通用的USB接口器件,符合现有的大多数器件的分类规格,比如:成像类,海量存储器件,通信器件,打印设备以及人机接口设备.内部包含有通用DMA模块使得数据流很方便的集成.另外,多种结构的DMA模块也实现了海量存储的应用.

ISP1581芯片具有以下一些特点:

1)直接与ATA/ATAPI外设相连,

2)完全符合通用串行总线(USB)Rev2.0规范,符合大多数器件的分类规格,

3)高性能的USB接口器件,集成了串行接口引擎(SIE),PIE,FIFO存储器,

数据收发器和3.3v的电压调整器,

4)支持USB2.0的自检工作模式和USB1.1的返回工作模式,

5)高速的DMA接口,

6)完全自治的多结构DMA操作,

7)7个IN端点,7个OUT端点和1个固定的控制IN/OUT端点,

8)集成8K字节的多结构FIFO存储器,上海交通大学硕士学位论文

9)端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输,

10)同大部分的微控制器/微处理器有单独的总线接口(15M字节/秒或15M字/

秒),

11)集成了PLL的12MHZ的晶体振荡器,有着良好的EMI特性,

12)集成了5V到3V的内置电压调整器,

13)可通过软件控制与USB总线的连接(SoftConnectTM),

14)符合ACPITM,OnNOWTM和USB电源管理的要求,

15)可通过内部上电复位和低电压复位电路复位,也可通过软件复位,

16)工作在扩展USB总线电压范围(4.0～5.5)内,I/O端口最大可承受5V的

电压.

4.1.3USB接口电路

1.ISP1581信号接口电路

ISP1581提供了管脚6,5分别与USB电缆JP5的D+,D-相连,同时提供了一个VCC5V的参考电压,这样当ISP1581本身的供电能力不足时,将JP4的1,2引脚相连,这样用外部电源来提高供电能力.信号连接电路如图4-3所示.

2.接口晶体振荡电路

晶体振荡电路在微控制器系统中非常重要,它决定了整个微控制器系统能否稳定工作.为了产生15MByte/s的USB总线速率,系统使用12MHz的晶振,内部集成了40倍PLL时钟乘法器来产生USB收发器的480MHz时钟信号,电路连接如上图4-3所示.其中,C1,C2接入都是为了12MHz晶振能够更容易地起振,将C1和C2的值取为20pF.

4.1.4RS-485接口电路

USB总线虽然传输速度较快,但传输距离短.UBS协议中规定全速设备离为5米,低速设备为3米.实际应用中,由于传输时延的存在,传输距全速设备,如果传输时延高达9ns/m,传输距离仅为3.3m.RS-485总线是一种单点通信串行接口标准,仅需几条信号线即可实现通信.RS-485标准允许的连接电缆不超过15.24m,但若能保证电缆总电容小于2500pF,则电缆长度超过限定值.RS-485允许的传输速率为0-20000bps,实际应用中常被限制在19200bps以内.为了使主手控制器有较强的通用性,在设计中还采用了RS-485进行通信.RS-485接口电路如图4-4所示:

4.2位置检测系统

在这个力反馈遥控器中,位置检测单元的主要作用对操纵杆的运动做出检测,将操纵杆各杆转过的角度信息处理成计算机可以识别的数字量,再由计算机将这些信息传给前方的从操作手,指挥前方的从操作手按照发出的指令运动.不难看出,位置检测单元由两部分构成,一是编码器,二是信号处理电路.编码器用来采集信号,信号处理电路用来对采集到的信号进行处理.位置检测单元作为整个系统的第一环节,

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由于增量式编码器的输出是脉冲序列,所以要采用特殊的接口电路对信号进行调理.增量式编码器通常有3个信号输出端A,B,C.当载体运动时,编码器将其转变成脉冲信号在A,B端输出,A,B信号之间相位相差正负90度(正负号由运动的方向确定),C信号为零位标志信号(1个脉冲/全程).

在这一节中,将介绍两种驱动方式,一种是用硬件的方式,即通过组合电路来实现光电编码器的驱动,另一种是用软件的方式,即只采用光电隔离电路,信号调理和脉冲计数都由软件实现.本文采用的是第二种方法.但是还是将第一种方法做出了具体介绍,以供参考.由于系统的电路图采用的是第二种方案,而且功能都是由编程实现,增量式编码器的接口电路,一般由两部分组成:信号调理电路和脉冲计数电路.信号调理电路主要完成:判别编码器的运动方向,同时产生正,反运动脉冲.脉冲计数电路主要是通过计数正,反运动的脉冲数目以获取当前的位置(或速度)数据.

4.3力矩电机系统

4.3.1力矩电机的选择

力矩电机是一种具有软机械特性和宽调速范围的特种电机.其电枢有较多的槽数,换向片数和串联导体数,以降低转矩脉动和转速脉动.当负载增加时,电动机的转速能自动的随之降低,而输出力矩增加,保持与负载平衡.力矩电机的堵转转矩高,堵转电流小,能承受一定时间的堵转运行.由于转子电阻高,高损耗大,所产生的热量也大特别在低速运行和堵转时更为严重,因此,电机在后端盖上装有独立的轴流或离心式风机(输出力矩较小的100机座号及以下除外),作强迫通风冷却,力矩电机配以可控硅控制装置,可进行调压调速,调速范围可达1:4,转速变化率≤10%.适用于卷绕,开卷,堵转和调速等无所适从事及其他用途,被广泛应用于纺织,电线电缆,金属加工,造红,橡胶,塑料以及印刷机械等工业领域.具有低转速,大扭矩,过载能力强,响应快,特性线性度好,力矩波动小等特点,可直接驱动负载省去减速传动齿轮,从而提高了系统的运行精度.为取得不同性能指标,该电机有小气隙,中气隙,大气隙三种不同结构形式,小气隙结构,可以满足一般使用精度要求,优点是成本较低,大气隙结构,由于气隙增大,消除了齿槽效应,减小了力矩波动,基本消除了磁阻的非线性变化,电机线性度更好,电磁气隙加大,电枢电感小,电气时间常数小,但是制造成本偏高,中气隙结构,其性能指标略低于大气隙结构电机,但远高于小气隙结构电机,而体积小于大气隙结构电机,制造成本低于大气隙结构电机.

调速,定位精度高动态响应快速度范围更大,过载能力强线性度好,力矩波动小磁能积高,体积小,重量轻损耗低,效率高在直流电机驱动电路的设计中,主要考虑下几点:

功能:电机是单向还是双向转动需不需要调速对于单向的电机驱动,只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器.如果不需要调速,只要使用继电器即可,但如果需要调速,可以使用三极管,场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速.

性能:对于PWM调速的电机驱动电路,主要有以下性能指标.1)输出电流和电压范围,它决定着电路能驱动多大功率的电机.2)效率,高的效率不仅意味着节省电源,也会减少驱动电路的发热.要提高电路的效率,可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题,即两个功率器件同时导通使电源短路)入手.3)对控制输入端的影响.功率电路对其输入端应有良好的信号隔离,防止有高电压大电流进入主控电路,这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离.4)对电源的影响.共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染,大的电流可能导致地线电位浮动.5)可靠性.电机驱动电路应该尽可能做到,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都是安全的.C831,Intel公司的16位单片机8XC196以及Cygnal公司的8位单片机C8051FOXX系列等.在新一代的单片机中通过初始化设置,使其PWM输出口能够自动发出PWM脉冲波.这种方法虽然很直接,但是对单片机的要求比较特别.如果只是一般的单片机,也可以用软件模拟法来产生PWM脉冲波.本文选用的是51系列单片机,所以选用这种方法来产生PWM脉冲[20].

直流力矩电机的驱动部分电路如4-5图所示,左边接口接单片机的一个引脚,右边的插口接电机.

4.4键盘接口设计

单片机控制系统中除了进行信息传递的过程输入,输出通道与接口外还要有与操作人员进行信息交换的输入,输出设备或器件,这种人机联系的设备或器件称为人机接口.这种人机接口典型装置是一个操作显示台或操作面板,操作台上除了有开关,旋转,柏攀及各种打印机,绘图仪累的I\O设备以外,一般必不可少的是键盘与LED显示器.本遥控器安装了键盘.

键盘是由若干个按键组成的开关矩阵,它是单片机最简单的信息输入装置,操作人员通过键盘向单片机系统输入数据或命令,实现简单的人际通信,按键是以开关的状态来设置控制功能和输入数据的.若键盘上的闭合键是由专用硬件实现的,则称为编码键盘,若靠软件实现的,则称为非编码键盘.非编码键盘是由一些按键排成一个行,列矩阵.按键的作用只是简单的实现开关的接通或断开,但必须有一套想应得程序与之配合,来完成按键的识别,防止抖动及键值的产生等工作,因此,键盘接口电路和程序必须解决以下一些问题[21].

检查是否有键按下,

若有按键按下,判断是哪个键并确定其键号或键值.

去抖动.目前,按键是利用机械触点,一个电压信号通过机械触电的闭合和断开形成.抖动的时间一般是5-10ms.按键的稳定闭合期为几百毫秒到几秒,为了保证键闭合仅作一次键处理,必须除去抖动影响.

处理多建同时按下.

当键盘的按键比较多时,可以应用矩阵式键盘,可以减少占用I\O总线.用I\O线组成行,列结构,行,列线不相通,而是通过一个按键设置在行,列交叉点上来连通,如果需要设计M*N个按键,则需要M+N跟I\O总线.其接口电路如图4-6:

4.5抗干扰设计

在电子系统设计中,为了少走弯路和节省时间,应充分考虑并满足抗干扰性的要求,避免在设计完成后再去进行抗干扰的补救措施[22].形成干扰的基本要素有三个:

(1)干扰源,指产生干扰的元件,设备或信号,用数学语言描述如下:du/dt,di/dt大的地方就是干扰源.如:雷电,继电器,可控硅,电机,高频时钟等都可能成为干扰源.

(2)传播路径,指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介.典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射.

(3)敏感器件,指容易被干扰的对象.如:A/D,D/A变换器,单片机,数字IC,弱信号放大器等.抗干扰设计的基本原则是:抑制干扰源,切断干扰传播路径,提高敏感器件的抗干扰性能.

(1)抑制干扰源

抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的du/dt,di/dt.这是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则,常常会起到事半功倍的效果.减小干扰源的du/dt主要是通过在干扰源两端并联电容来实现.减小干扰源的di/dt则是在干扰源回路串联电感或电阻以及增加续流二极管来实现.

抑制干扰源的常用措施如下:

(1)继电器线圈增加续流二极管,消除断开线圈时产生的反电动势干扰.仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后,增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数.

(2)在继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路,电阻一般选几K到几十K,电容选0.01uF),减小电火花影响.

(3)给电机加滤波电路,注意电容,电感引线要尽量短.

(4)电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容,以减小IC对电源的影响.注意高频电容的布线,连线应靠近电源端并尽量粗短,否则,等于增大了电容的等效串联电阻,会影响滤波效果.

(5)布线时避免90度折线,减少高频噪声发射.

(6)可控硅两端并接RC抑制电路,减小可控硅产生的噪声(这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的).

按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类.

所谓传导干扰是指通过导线传播到敏感器件的干扰.高频干扰噪声和有用信号的频带不同,可以通过在导线上增加滤波器的方法切断高频干扰噪声的传播,有时也可加隔离光耦来解决.电源噪声的危害最大,要特别注意处理.所谓辐射干扰是指通过空间辐射传播到敏感器件的干扰.一般的解决方法是增加干扰源与敏感器件的距离,用地线把它们隔离和在敏感器件上加蔽罩.

2.切断干扰传播路径的常用措施如下:

(1)充分考虑电源对单片机的影响.电源做得好,整个电路的抗干扰就解决了一大半.许多单片机对电源噪声很敏感,要给单片机电源加滤波电路或稳压器,以减小电源噪声对单片机的干扰.比如,可以利用磁珠和电容组成π形滤波电路,当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠.

(2)如果单片机的I/O口用来控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路).控制电机等噪声器件,在I/O口与噪声源之间应加隔离(增加π形滤波电路).

(3)注意晶振布线.晶振与单片机引脚尽量靠近,用地线把时钟区隔离起来,晶振外壳接地并固定.此措施可解决许多疑难问题.

(4)电路板合理分区,如强,弱信号,数字,模拟信号.尽可能把干扰源(如电机,继电器)与敏感元件(如单片机)远离.

(5)用地线把数字区与模拟区隔离,数字地与模拟地要分离,最后在一点接于电源地.A/D,D/A芯片布线也以此为原则,厂家分配A/D,D/A芯片引脚排列时已考虑此要求.

(6)单片机和大功率器件的地线要单独接地,以减小相互干扰.大功率器件尽可能放在电路板边缘.

(7)在单片机I/O口,电源线,电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件如磁珠,磁环,电源滤波器,屏蔽罩,可显着提高电路的抗干扰性能.

力反馈遥控器程序设计

单片机不仅要处理光电编码器传输过来的脉冲信号,还要对力矩电机的运转做出控制.这些都是通过单片机内部的程序来实现的.单片机程序功能主要如下:初始化串口,打开串口中断,接收电脑发送的数据,在1602液晶模块上显示数据,将数据发送回电脑RS-485串口,接收继电器控制命令,控制继电器动作等.

5.1USB接口程序设计

固件(Firmware)是USB设备运行的核心,固件设计的目标是使ISPI581在USB总线上能够达到最大的传输速率.MCU用于负责外设的数据处理和控制任务,所以好的固件应设计成完全的中断方式.这样当MCU处理前台任务时,USB传输可在后台进行.这就确保了最佳的传输速率和更好的软件结构,同时简化了编程和调试.后台ISR(中断服务程序)和前台主程序循环之间的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来实现.ISP1581的批量输出端点可使用循环的数据缓冲区.当ISP1581从主机收到一个数据包,那么就对MCU产生一个中断

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本节主要介绍基于ISP1581系统的固件程序的设计,这里所说的固件实际上指的USB的相关控制器上运行的可执行代码,从前面的介绍可知为了避免与主机端的软件相混淆,称之为固件.在该研究中,系统的固件设计主要采用51系列单片机的C程序进行开发,降低开发难度和减少开发时间.

5.1.1端点选择

ISP1581提供两个管道,一个用于主机发送采集控制命令,一个用于将采集数据上传回主机.在固件设计中,采用了两个端点来提供上述管道.一个为端点0,采用控制传输方式,分组尺寸设为64字节,另一个为端点2,采用批量传输方式,分组尺寸设为512字节,采用双缓冲模式.前者用于控制命令的传输,后者用于图像数据的传输.之所以采用批量传输方式来传输采集数据主要是考虑到保证数据的完整性.由USB2.0协议可知,批量传输在硬件级上对传输数据进行差错检测,一旦发生传输错误,则自动进行数据重传,从而保证了数据传输的可靠性,使图像质量得以保障,而采用端点0传输采集控制命令,因为采集控制命令的传输速度要求不高,数据量也不大,并且控制传输本身就提供握手阶段,主机藉此可直接判断操作是否成功,而若采用其他三种传输方式,在发完命令后,还必须在另外再启动一次传输以查询上一操作的执行情况.

5.1.2整体固件结构

固件以中断方式为编程思想,前台主循环程序与后台中断服务程序通过事件标志和数据缓冲区来实现数据交换.主循环程序只检查缓冲区内是否有需要处理的数据,而中断服务程序处理数据的传输.固件采用分层结构实现,使程序层次分明,结构清晰,为以后的程序修改和移植提供方便.各层分别为硬件接口层(执行与ISPI581硬件相关的I/O操作),命令接口层(定义了对ISP1581进行操作的子程序集),中断服务程序(处理中断,设置合适的事件标志告知主循环进行处理),协议层(处理标准USB设备请求和诸如DMA等的厂商请求),主循环(检查事件标志并调用合适的子程序以实现进一步处理).

设备通过固件完成向主机的自我解释过程(即枚举过程)主要包括以下几步:

1)设备与主机通过USB接口连接上电后,固件程序将选通ISP1581内部的TMSoftConnect上拉电阻,主机检测到设备的存在,并得知该设备是高速设备还是全速设备.

2)主机检测到设备后,向该端口发送复位信号,然后暂时使用默认地址00H来对其进行寻址.主机接收到设备对默认地址响应后,再分配给设备一个空闲的地址,以后设备只对该地址响应.

3)主机发送GetDescriptor请求,要求外设发送设备描述符.主机接收到USB设备描述符后,确定设备的属性,主机根据描述符信息寻找相应的设备驱动程序.

4)主机发送GetConfiguration请求,要求外设发送配置描述符.主机根据配置信息(可能有多个配置)及设备被使用的信息给设备确定一个有效的配置值.

完成上述步骤后,设备准备就绪,已具备与主机通信的能力.设备接收到主机发送过来的令牌包,即可按照主机请求发送和接收数据.

5.1.3主程序设计

主程序里需要完成的工作有:初始化MCU,初始化和配置ISP1581,循环查询标志等工作.

1)初始化

初始化主要完成ISP1581预设寄存器的设置,主要包括地址寄存器,方式寄存器,中断寄存器,DMA寄存器设置,以及端点寄存器等.地址寄存器,设置USB的分配地址并激活USB设备:方式寄存器,控制着重新开始,挂起和唤醒行为,中断行为,软件复位,时钟信号和软件连接操作,中断寄存器,控制中断使能以及决定INT输出的动作和极性,DMA寄存器中,DMA配置寄存器和DMA硬件寄存器设置DMA模式及信号触发极性,端点寄存器包括设置端点缓存大小,端点传输类型,以及端点使能等.

5.1.4中断服务程序

ISP1581是全中断驱动的,所有的信息交互都要通过中断完成.并且除远程唤醒外的,所有传输都要由主机启动,设备只负责对主机的请求做出响应.因此,USB设备的主要功能需在主机端实现,使USB设备端的制造成本大大降低,这也是USB接口获得如此广泛应用的一个重要原因.主机对ISP1581的任何操作都会引起ISP1581相应的中断,单片机通过查询中断源寄存器判断并处理中断.进入中断服务程序后,首先读取ISP1581的中断寄存器,判断产生中断的原因,然后调用相应的子程序来处理.主要中断有SETUP中断(即USB控制传输中断),总线挂起中断,总线唤醒中断,各端点数据IN或OUT中断,和两个厂商请求中断(固件版本查询中断和DMA传输使能中断).

5.1.5请求处理程序

请求处理程序负责处理枚举阶段主机发给设备的标准请发送的厂商请求,标准请求包括获得设备描述符,设置地址部分程序可以在中断处理程序中完成,也可以在主程序中完

于Setup中断处理子程序之后.对于后者,一般是在Setup中在主程序的循环中查询这个标志位,一旦标志位有效则执行根据请求的类型再调用相应的子程序处理.标准USB请求命令包括:

1)获取状态(GetStatus)

2)清除特性(ClearFeature)

3)设置特性(SetFeature)

4)设置地址(SetAddress)

5)获取描述符(GetDescriptor)

6)设置描述符(SetDescriptor)

7)设置配置(SetConfiguration)

8)获取配置信息(GetConfiguration)

9)获取接口信息(GetInterface)

10)设置接口(SetInterface)

11)同步帧(SynchFrame)

5.2光电编码器信号处理部分程序

下面是实现对光电编码器的4倍频,实现的原理是利用状态机实现的,判断AB的电平的变化.与单片即的接口很简单,利用8位地址总线,+2个地址线A0A1.用51做的采集模块,通过串口发数据给上位机.当A0A1等于00,缓冲器buf_l,buf_m,buf_h不停的被刷新.到A0A1！等于00时,缓冲器buf_l,buf_m,buf_h记录A0A1变化是的数据,

A0A1等于10data等于buf_l,A0A1等于11data等于buf_m,

A0A1等于01data等于buf_h,

moduleAB4F(clk,a,b,cp,dire,data,a1,a0),

inputclk,a,b,a1,a0,

outputdire,cp,

regdire,cp,

reg[1:0]cot,

reg[23:0]counter,

reg[1:0]prestate,state,

reg[7:0]buf_l,buf_m,

reg[7:0]buf_h,

output[7:0]data,

reg[7:0]data,

always@(posedgeclk)

begin

state[1]<,等于a,

state[0]<,等于b,

prestate<,等于state,

if((prestate等于等于2'b00)&,&,(state等于等于2'b10))

begin

cp<,等于1,dire<,等于1,

end

elseif((prestate等于等于2'b10)&,&,(state等于等于2'b11))

begin

cp<,等于1,dire<,等于1,

end

elseif((prestate等于等于2'b11)&,&,(state等于等于2'b01))

begin

cp<,等于1,dire<,等于1,

end

elseif((prestate等于等于2'b01)&,&,(state等于等于2'b00))

begin

cp<,等于1,dire<,等于1,

end

elseif((prestate等于等于2'b00)&,&,(state等于等于2'b01))

begin

cp<,等于1,dire<,等于0,

end

elseif((prestate等于等于2'b01)&,&,(state等于等于2'b11))

begin

cp<,等于1,dire<,等于0,

end

elseif((prestate等于等于2'b11)&,&,(state等于等于2'b10))

begin

cp<,等于1,dire<,等于0,

end

elseif((prestate等于等于2'b10)&,&,(state等于等于2'b00))

begin

cp<,等于1,dire<,等于0,

end

else

begin

if(cp)

begin

cot<,等于cot+1,

if(cot等于等于1)

begin

cot<,等于0,

cp<,等于0,endendendendalways@(negedgecp)beginif(dire)begincounter<,等于counter+1,endelsebegincounter<,等于counter-1,endendalways@(posedgeclk)begincase({a1,a0})3'b00:beginbuf_h<,等于counter[23:16],buf_m<,等于counter[15:8],buf_l<,等于counter[7:0],data<,等于8'hzz,end3'b01:data等于buf_l,3'b11:data等于buf_m,3'b10:data等于buf_h,/*default:beginend*/endcaseendendmodule

5.3RS-485程序

该程序利用定时器0中断对通信程序进行处理,首先定义了需要发送的数据常量,在主函数中使能定时中断,并对串行通信进行设置[24].

(1)包含必要的头文件,定义程序需要的全局变量和宏.

#include"16f837.h"

#include"int16cxx.h"

#difindenable1

#difinddisable0

#difindtrue1

#difindfault0

#difindreceive_en0

#difindtaner_en1

#pragmabitio1@portb.5

#pragmabitio2@portb.6

#pragmabitio3@portb.7

#pragmabitc_en@portc.2

#pragmaorigin等于0*4

(2)中断处理子程序

interrupetserver(void)

{

uns8temp8,

int_se_registeres

charsvfsr等于fer,

if(toif)

{

tmro等于100,//8ms中断

ps2等于1,//预分频值为1:256

ps1等于1,

_8ms_count_ok等于enable,

toif等于0,

}

if(intf)

{

intf等于0,

}

if(tmrlif)

{

tmr2if等于0,

}

if(rcif)

{

rc_temp等于rcreg,

if(receive_ok等于等于fANLT)

{

if(_8ms_count_ok)

receive_coumt等于0,

if(receive_count<,8)

rxbuf[reseive_count]+rc_temp,

}

()主函数

对单片机内部寄存器进行配置,初始化各个标志位及常量,最后在while循环中完成通信任务

6.2遥控器的结构设计

6.2.1力反馈装置的主体设计

如图分别为主副遥控杆力反馈主体的部分的设计,上面安装了力矩电机个精密电位计,力矩电机负责产生力反馈效果,电位计将摇杆的旋转角度转换为电压信号输送给单片机.此结构包括两个旋转体,旋转体与支撑体之

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6.2.2遥控杆的设计

遥控杆主要完成对机器人的操作,控制其运动方向,主遥控杆控制机器人及其部分关节的前后左右运动,以及整体与部分运动的切换.

6.2.3遥控器外形的设计

外形设计考虑要美观实用,注意遥控杆的布局和按键的分配.如图6-7在外形上开有一个圆形孔,和一个椭圆形孔,供主副遥控杆的装配.上面设计了九个按键,红色键为复位键,绿色按键为关节的选择键,当按下键时,主副操作手便切换为控制相应关节的运动.

6.2.4底座的设计

底座的作用是固定力反馈装置与外壳之间的装配,上面设计了四个定位孔,分别用来固定主副力反馈装置.如图6-8

6.2.5最终装配

先将力反馈装置装配在底座上.如图6-9

最后完成整体的装配.如图6-10

6.3遥控器实现的功能

本遥控器可以实现对机器人整体及部分的切换控制,当按下主操作杆母键时为控制机器人最前端的移动,可以控制其前后左右,副操作杆可以控制其上下.当选择遥控器主体上的切换键时,为控制相应部位的前后左右以及上下.当选择遥控器主体上的母键时,机器人完成复位动作.

第七章总结与展望

远程机器人是指在人的操纵下,能在人难以接近,无法进人或对人体有害的环境中完成比较复杂操作的一种远距离操作系统.在远程操作中利用力反馈技术是目前医疗机器人的研究热点之一,力反馈主操作手和力感觉从操作手是主从力反馈控制系统的重要组成部分.

本文在对国内,外远程机器人远程操作技术研究分析的基础上,建立了具有力反馈作用的主手操作系统,并设计出了遥控器的具体结构.在这个系统中,操作者可以通过力矩电机的震动感受到反馈力的大小,并根据直观的感受做出正确的决策.主要研究内容是:首先,分析了力反馈技术的分类,特点以及关键技术,对力反馈有了深层次的理解.然后,分析了力反馈遥控器的总体构成,从整体上把握遥控器的设计.其次,设计遥控器的硬件部分,设计了单片机与计算机的接口电路以及电机的驱动电路等等.再次,用C语言设计了遥控器部分驱动程序.保证遥控器功能的实现.最后,设计了遥控器的结构及外形,实现了功能与美观的组合.整个设计过程清晰明了,最终使遥控器的功能得到了实现.

随着网络技术的飞速发展,Inter逐渐被应用到远程操作系统中.通过网络功能,打破了远程机器人应用中地域上的限制,但是基于Inter的机器人控制系统由于传输距离远,传输时延成为重要问题.Inter传输时延不仅大,而且是时变的,随机的,导致整个系统的时变性和随机性,给控制带来很大困难.但是随着科学技术的不断发展,远程机器人系统中存在的问题将会不断得到解决.机器人的自我决策能力,人机交互性能,控制器结构的开放性将大幅度提高,远程机器人的应用领域将会越来越广.

参考文献

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致谢

衷心感谢我的导师罗华老师,在课题的选择,以及论文的写作的过程中,罗老师给予我悉心的指导.罗老师渊博的知识,严谨的学风,扎实的理论基础和诲人不倦的胸怀,将是我一生的楷模,其执着的钻研精神和朴实的工作作风令人尊敬.

在论文完成之际,谨向罗老师致以最诚挚的谢意！同时,感谢大学期间给予我关心,帮助的同学们,是他们让我愉快地度过了四年的生活和他们结成的友谊将是我今后最宝贵的精神财富.在此,感谢父母以及家人,感谢他们这些年来的大力支持,感谢他们给予我生活上的关心,经济上的支持和精神上的鼓励.最后对参加本文评审和答辩的老师致以衷心的感谢！

学生:张锐

2016年6月10日

四川大学本科毕业设计远程机器人力反馈遥控器设计

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四川大学本科毕业设计远程机器人力反馈遥控器设计

操作者

主操作手

通讯环节

从机械手

作业环境

图1-1远程机器人的组成

图1-2机器人结构构型

图2-1Phantom力反馈装置

Phantom结构图

Phantom实物图

图2-2CyberImpact手控制器

图2-3手触式交互装置

图2-4微软力反馈遥控杆

图2-5(LHD)-Excalibur

图2-6a制动式触觉显示装置

bVRAI的DELTA力反馈装置

计算机

通讯模块

微处理器

关节信号采集

辅助指令

力反馈装置

主机械手

图3-1力反馈遥控器原理图

图4-1单片机接口图

编码盘

单

片

机

键盘

电机驱动

USB2.0

RS485

A/D转换

图4-2ISP1581引脚图

图4-3ISP1581接口和晶体振荡电路

图4-4RS-485接口电路图

图4-5电机驱动电路

图4-6键盘接口电路图

图6-1北通BTP-318遥控杆

(b)副遥控杆主体

图6-2力反馈遥控器主体

(a)主遥控杆主体

图6-3主遥控杆旋转体

(b)旋转体2

(a)旋转体1

图6-4副遥控杆旋转体

图6-5遥控杆的设计

(a)主遥控杆的设计

(b)副遥控杆的设计

图6-6主遥控杆的分部设计

图6-7遥控器外形图

图6-8遥控器底座

图6-9力反馈装置的安装

图6-10整体装配图