基于CAN总线的关节模块化机器人控制系统研究

摘要

机器人是飞速发展的综合学科，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。人们对机器人的性能提出了更多更高的要求，开发具有开放式结构的、模块化、标准化机器人控制系统是当前机器人控制系统的一个发展方向。 本课题来源于国家自然科学基金项目《工程中的广义同步的非线性理论和若干关键问题》，课题顺应当前机器人控制系统的发展趋势，针对实验台--关节模块化机器人，研究和设计具有开放式体系结构的模块化、标准化机器人控制系统。本文重点研究基于CAN总线关节模块化机器人控制系统的体系结构，解决关节控制模块的硬件实现和控制系统软件设计等相关技术问题。本文主要完成了如下几个方面的工作： (1)介绍了当前国内外机器人控制系统的研究发展现状，分析了关节模块化机器人控制系统的基本功能及控制要求，论证了利用现场总线技术构建模块化机器人控制系统的可行性。提出了基于cAN总线的关节模块机器人控制系统结构，构建了用于广义同步理论实验研究的机器人实验平台的控制系统。 (2)构建了基于CAN总线的模块化机器人控制系统的硬件结构，详细设计了机器人关节控制模块的硬件。关节控制模块可实现各独立关节的驱动控制、信号采集处理、数据存储和与上位机通信4个基本功能。控制模块硬件采用ATmega64单片机为核心控制器，利用ATmega64片内的AD转换器和I/O接口实现数据采集和驱动控制功能，以CAN总线进行数据通信，采用存储器FM256进行本地存储，关节控制模块具有结构简单、成本低、可扩展性强、高稳定性等特点。 (3)采用分层和模块化软件设计技术对上位机主控软件和下位机关节模块软件进行设计开发。上位机主控软件是在CAN接口卡提供的ZLGVCI接口函数的基础上进行开发，采用Borland c++Builder 6.0语言在Windows环境下编写；下位机关节模块的软件采用ICC AVR的集成开发环境和AVR Studio的在线仿真调试工具进行开发，用标准C语言进行编程。整个控制系统软件具有开发周期短、可读性强、可移植性好的特点。 (4)本文对控制系统的各项功能进行了实验验证，实验结果表明基于CAN总线的机器人控制系统具有较高的可靠性、实时性和开放性，满足了关节模块化机器人实验平台的控制要求。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1研究背景与来源

1.2机器人控制系统研究现状

1.3机器人控制系统的发展方向

1.4本文主要研究内容

第2章关节模块化机器人控制系统研究

2.1关节模块化机器人控制系统的要求

2.1.1机器人系统构成

2.1.2关节模块化机器人基本功能分析

2.1.3关节模块化机器人对控制系统的要求

2.2控制系统结构选择

2.2.1集中控制系统

2.2.2集散控制系统

2.2.3现场总线控制系统

2.2.4关节机器人控制系统结构的确定

2.3现场总线选择

2.3.1各种现场总线对比分析

2.3.2 CAN总线的特点

2.3.3 CAN总线通信控制

2.4基于CAN总线的关节模块化机器人控制系统构建

第3章关节模块化机器人控制系统硬件设计

3.1关节模块控制系统硬件总体设计

3.2主控制器的芯片选择及其辅助电路设计

3.2.1主控制器的芯片选择

3.2.2 ATmega64单片机的辅助电路设计

3.3 CAN通信接口设计

3.3.1独立的CAN控制器SJA1000

3.3.2 CAN总线驱动器PCA82C250

3.3.3 CAN通信接口电路

3.4驱动控制电路设计

3.4.1方案选择

3.4.2步进电机

3.4.3驱动器

3.4.4步进电机的驱动控制电路

3.5信号采集

3.5.1编码器信号采集

3.5.2 A/D转换电路实现

3.6数据存储

第4章机器人控制系统软件设计

4.1软件系统的设计思想

4.2 CAN总线通信协议

4.2.1通信协议的制定

4.2.2标识符编码

4.3下位机关节模块软件设计

4.3.1系统整体结构

4.3.2 CAN总线通信任务

4.3.3驱动控制任务

4.3.4数据采集任务

4.3.5数据存储任务

4.3上位机主控软件设计

4.4控制系统实验

4.4.1实验系统构成

4.4.2数据通讯测试

4.4.3步进电机控制实验

4.4.4信号采集测试

第5章结论

参考文献

致谢