0 简介

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机器人控制系统是机器人信息处理和控制的主体，其设计将决定机器人系统的整体行为和性能。机器人控制系统的结构一般可分为三种：（1）集中控制方式，采用微机实现所有功能。这种方式具有结构简单、经济的特点，但处理能力有限。 ，难以满足高要求。性能控制要求和控制风险高度集中。（2）主从控制方式使用两个主从CPU进行控制，主CPU负责系统管理、机器人语言编译和人机界面功能，还利用其计算能力完成坐标变换和轨迹插补；从CPU完成所有关节位置的数字控制，并通过公共存储器在主从CPU之间交换数据，很难用更多的CPU来进一步分散功能。（3）分布式控制，上下c的两级分布式结构一般使用电脑。上位机负责整个系统的管理、运动学计算、轨迹规划等。下位机由多个CPU组成，每个CPU控制一个关节运动。这些CPU和上位机通过总线。这种结构的控制器显着提高了工作速度和控制性能，是一种理想的机器人控制方法[1]。传统机器人控制器采用单片机作为控制芯片，其运算速度和处理能力难以满足。越来越复杂的机器人控制。在通信方式上，常用RS422或RS485通信，通信实时性差，故障率高，出现故障时不易排查[2]。本文设计的机器人控制系统采用分布式控制方式集中控制系统，上位机采用高性能工控机，下位关节控制器采用DSP的集成高速计算处理能力和MCU的控制特性作为控制芯片。为有效支持分布式控制和实时控制CAN（Area）总线通信方式，不仅能快速实现机器人控制的复杂算法，而且控制实时性高，是一种高性能的机器人控制系统。

1 控制系统结构

机器人是一个多自由度系统。机器人控制的本质是控制各个关节的运动，使其能够协调运动，从而完成一些相对复杂的动作。控制系统采用分布式控制方式，由上位主控计算机模块、通信模块和下位联合控制器模块组成，如图1所示。上位主控计算机负责调度管理、在线运动规划、故障诊断。以及整个系统的人机交互；通信模块负责上位机与下位联合控制器之间的实时信息交换；各关节控制器与驱动器直流未连接。有刷电机集成在一起，各关节的运动由各关节控制器发出的PWM信号驱动直流无刷电机实现。

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图1控制系统图

1.1个主机模块

上位机是控制系统的中心，要求体积小，运行速度快，满足机器人实时控制的要求。通常使用高性能的工业控制计算机。上位机应用程序在可视化编程环境VC++6.0下编译，分为程序接口、通信初始化部分和控制部分。控制部分是整个上位机软件控制的核心，可实现单关节控制和多关节协调控制。图2显示了单关节控制部分的流程图。下关节控制器发送单关节控制指令，从下关节控制器接收关节的实际位置信息；下关节控制器接收上位机的位置信息，进行运算处理，输出PWM信号，驱动直流无刷电机运动到所需位置。上位机控制周期为20ms，通过CAN总线接口卡与通讯总线相连，与通讯总线上的各关节控制器进行信息交换。

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图2 上位机单联控制程序流程图

1.2 通讯模块

在机器人的分布式控制系统中，通信方式的选择非常重要。上位机与下位联合控制器之间的通信既要满足硬件连接简单、扩展方便的要求，又要满足通信的高可靠性和可靠性。即时的。本设计采用 CAN 总线作为通信标准。 CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。与一般的通信网络相比，它具有可靠性高、实时性和灵活性高等优点。适合作为机器人控制系统中的一种通信方式[3]。

本控制系统中，上位机通过周立功单片机的-II智能CAN接口卡与CAN网络相连，在上位机中调用卡附带的驱动库函数，实现管理和CAN 通讯监控。 CAN 网络中的每个设备都通过双绞线连接，因为双绞线的特性阻抗为 120 欧姆。为了增强CAN通信的可靠性和抗干扰性集中控制系统，在CAN网络的两端增加了一个120欧姆的终端匹配抑制反射。阻力。

1.3下关节控制器模块

下联合控制器模块是整个控制系统的底层。它与每个关节驱动电机集成在一起。它实际上是一个单关节运动控制和驱动模块，主要用于控制各个关节运动的具体执行过程。关节控制器接收主控计算机的控制指令，控制各个关节的运动，并将底层信息反馈给上位机，便于上位机进行协调规划和统一管理。所有下关节控制器具有相同的硬件结构。根据各关节运动控制的不同，内灌注的软件程序也不同。联合控制器是整个控制系统的核心，也是本文的重点。它的性能直接关系到机器人的整体性能。

2 控制器硬件系统设计

控制器硬件系统按结构和功能可分为主处理器单元、电源电路、电机驱动电路、CAN接口电路、欠压保护电路、过流检测电路等模块。具体电路如图3所示。

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