服务机器人手臂关节的模块化设计

第36卷　增刊Ⅰ华　中　科　技　大　学　学　报(自然科学版)

()Vol.36Sup.Ⅰ　Oct.　2008

服务机器人手臂关节的模块化设计

李瑞峰　付大鹏

(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001)

摘要:设计出一种模块化机器人关节单元,可以完成回转运动,集直流电机驱动、控制及通信于一体.设计了由直流减速伺服电机和行星轮减速器组成的驱动系统,通过设计电机偏置传动实现中心孔走线,避免了机器人手臂控制电缆的磨损和缠绕问题.由单片机AT89S52、电机控制芯片LM629、电机驱动芯片LMD18200及增量式光电编码器完成了直流电机的控制,控制器局域网络(CAN)现场总线控制芯片SJA1000与CAN收发器PCA82C250组成的CAN总线串行通信系统减少了手臂内部的控制电缆线数量.经检测,该关节模块输出力矩为2N・m,重复定位精度为±0.15°.

关　键　词:服务机器人;手臂;模块化关节;结构设计;中图分类号:TP242.2　　文献标识码:A　　文章编号:2()S12servicerobotarm

iRfeng　FuDapeng

,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)

Abstract:Thispaperdesignedamodularizedrobotjointunitusedforservantrobot.Completedwithdirectcircuit(DC)motoractuating,controlandcommunicationfunction,thisunitcanbothrotateandwing.DesignadrivingsystemwhichcomposesDCservomotorandplenaryreducer.Bysettingasidethemotor,realizethecenterholerouting,thewearingandwiringoftherobotcontrolcableisavoi2ded.Anintegrativecontrolanddrivingsystemisdesigned.ThesystemusessinglechipAT89S52,motorcontrolchipLM629,motordrivingchipLMD18200andphotoelectriccodertocontroltheDCmotor.Inordertoreducethecablenumberinrobotarm,theCAN(controllerareanetwork)busseri2alcommunicationsystemconstitutesCANbuscontrolchip,CANtransceiverandPCA82C250.Theresultsofjointperformancetestsshowthatthismodularizedjointoutputtorqueis2N・mandreset2tingaccuracyis±0.15°.

Keywords:servicerobot;arm;modularizedjoint;structuredesign;controller

　　机器人能完成许多不同的任务,但一台机器

人能完成任务的范围会受其自身机械结构的限制.模块化机器人的出现使问题迎刃而解,其通过“搭积木”的方式重新组合模块,可满足不同任务的需要[1,2].根据智能服务机器人手臂关节的模块化要求,本文设计了一种集机械结构、控制、驱动及通信于一体的模块化手臂关节单元,满足服务机器人不同的工作需要,可以进行灵活的手臂功能组合.

收稿日期:2008207215.

1　关节单元的结构设计

机器人手臂关节是典型的机电一体化产品.由于结构组成的复杂性,当进行模块设计时,必须考虑到各模块的标准化、通用化与规格化,以解决模块间的互换性等问题[3,4].

机器人模块化手臂的关节单元基本零部件包括电机、减速器、反馈器件及其他附件.

根据减速

作者简介:李瑞峰(19652),男,教授,E2mail:[email protected].

基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2007AA04Z221);长江学者团队计划资助项目(IRT0423).

器类型的不同,模块化关节的减速器大致有行星轮减速器、蜗轮蜗杆减速器及谐波减速器3种.综合减速器特点并考虑经济性,本设计的关节单元采用了行星轮减速器.关节单元内部装有独立的控制器及传动机构,同时采用二级减速传动,第一级为行星轮减速传动,第二级为齿轮减速传动,能完成一个自由度的回转运动.

各关节之间相对独立,把各个关节连接在一起就能实现机械手臂的基本功能,本文设计了一种方便快捷的连接结构,每个关节的两端有主副连接器,如图1所示.主连接器通过螺纹与缩紧套连接,缩紧套上的开口与副连接器形状相同,3

个

成.SJA1000的数据口D0～D7与AT89S52的P0口相连,SJA1000通过串行数据输出引脚(TX)和串行数据接收引脚(RXD)与PCA82C250相连.为防止电压及电流过大,在CANH和CANL两根线上连接二极管和电阻,实现过压保护与过流保护.

3　软件设计

软件设计中主要考虑关节单元控制器通过CAN总线接收主控器的命令和数据,控制LM629运动,通过CAN总线将运动状态信息反

馈.软件的总体结构为:LM629的控制字和状态字的读写;独立CAN控制器SJ对总线上;、定、串行通,CAN中断.

、装载比例积分微分控制(PID,proportional2integral2deriv2ative)参数及轨迹参数编辑.

主处理器向LM629写数据或者程序指令时,

图1　关节连接示意图

呈圆周均匀分布的孔与下级关节副连接器上3个嵌入块相对应.连接时先松开锁紧套,将副连接器与主连接器对接,再旋紧锁紧套,锁紧套的内沿压在副连接器背面上,将副连接器夹在主连接器和锁紧套中间.关节单元采用中心孔走线的方式避免由于机器人手臂工作环境以及手臂运动造成导线损坏,有效解决了现有机器人手臂导线裸露在外带来的导线保护和电缆缠绕问题.

必须检查LM629的状态“,忙位”位于状态字的最

低字节.每次上电前,都要对LM629进行初始化操作,并判断LM629是否初始化成功,见图

2.

2　关节控制器的设计

关节的控制器结构也采用模块化设计,主要为电机驱动和伺服控制模块及控制器局域网络(CAN,controllerareanetwork)总线通信模块.

本文以单片机AT89S52为主控芯片,由运动控制芯片LM629和功率放大芯片LMD18200组成伺服控制系统[5,6].LM629的数据口D0～D7与AT89S52的P0口相连,通过片选信号对LM629

图2　LM629初始化流程图

初始化成功后,通过加载滤波器参数命令向

LM629写PID参数,向LM629写2byte的控制字,其中高位确定微分采样周期,低位决定是否装载比例、微分、积分以及积分极限系数.装载轨迹参数时要向LM629写入2byte的控制字,说明停机方式、采用位置模式或速度模式、装载的运动参数及其类型(绝对或相对).LM629的控制流程如图3所示.

CAN总线系统的软件结构主要分为SJA1000的初始化、报文传输及接收[8].主控制器

进行数据交换[7].LM629的2个输出引脚

(PWMS,PWMM)经光电隔离与功率放大芯片LMD18200相连,从而控制直流电动机运行.

CAN总线通信模块由独立CAN总线控制

器SJA1000及CAN总线收发器PCA82C250组

与SJA1000之间状态控制与命令信息的交换在

b.重复定位精度.重复定位精度是关节的

一个重要性能参数,用百分表测出关节输出端的

周向旋转重复定位精度,此时百分表测出的是弧长,已知半径,通过弧长公式可得出中心角的重复定位精度为0.15°.测试装置如图5所示

.

图3　LM629控制流程图

控制寄存器中完成.CAN初始化模块主要是对接收滤波方式、波特率参数、工作方式以及中断使能

寄存器等的内容进行相应设置,从而确定CAN的工作方式.报文的发送及接收由CAN控制器SJA1000独立完成[9,10].SJA1000将欲发送的报文存放到发送缓冲器,然后将命令寄存器里的发送请求标志位TR置位,报文随后发出.文存放在接收缓冲器中,,,图5　重复定位精度测试装置

L经证明满足.

参

考

文

献

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4　模块化关节实验

本实验系统由模块化关节、PC机、24V电源、砝码、绳子、CAN卡、秒表以及百分表组成.关节自重为1.32kg,速度达24r/min,输出力矩可达2N・m,重复定位精度为0.15°.由于关节单元内部空间有限,控制器尺寸要求小巧,长55mm,宽35mm,高15mm,分上下两层:上层是控制板,长35mm,宽35mm;下层是驱动板,长55mm,宽35mm,两块电路板通过单排插针叠在一

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a.输出力矩.在关节的输出端挂一个4kg的质量块,回转半径为0.05m,因此负载力矩为2N・m.实验装置,如图4所示

.

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图4　输出力矩实验装置