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基于 PLC 机器人 本体 设计 论文 DWG 图纸 外文 翻译 文献 综述 开题 报告

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第 1 2期 2 0 0 5年 1 2月 机械设计与制造 Ma c h i n e r y De s i g n& Ma n u f a c t u r e 一8 9一 文章 编号： 1 0 01 3 9 9 7 ( 2 0 0 5 ) 1 2 0 0 8 90 2 l 与 ； l 自 动 化i _ _ _ 多任务程序设计方法在机器人实时控制中的应用 刘景明 张 宇周 强 刘天慧 ( 沈阳大学信息工程学院。 沈阳1 1 0 0 4 4 ) Ap p l i c a t i o n o f mu l t i t a s k p r o g r a mmi n g me t h o d f o r r o b o t i c r e a l - t i me c o n t r o l s y s t e m L I U J i n g m in g 。 Z H A N G Y u 。 Z H O U Q i a n g ， L I U T i a n h u i ( S c h o o l o f I n f o r ma t i o n E n g i n e e i n g ， S h e n y a n g U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 0 4 4， C h i n a ) 【 摘要】 这里介绍一种控制系统软件程序的设计方法， 以满足应用中需要多种控制操作、 实时性高 的要 求。定义程序任务 ， 规划前、 后 台方式的程序整体结构 ， 建立 多任务动态调度机制 ， 结构化任务间 的交换数据并进行保护。 将多任务程序设计方法应用在装配机器人控制软件中， 并且采用相关的编程 技术加以实现。该方法应用在机器人实时控制系统的软件设计中具有较好的效果。 关键词 ： 程序设计 ； 机器人 ；实时 A b s t r a c t n t h i s p a p e r ,a s o ft w a r e p r o g r a m m i n g m e t h o d f o r c o n t r o l s y s t e m i s i n t r o d u c e d ,i n o r d e r t o mee t t h e r e q u i r e m e n t o f m u l t i o p e r a t i o n a n d r e a l t i m e c o n t r o l f o r p r a c t i c e T h e p r o gra m f a me b a s e d o n f r o n t b e h i n d c o n s o l e w a s p r o p o s e d , a nd p r o gra m t a s k W as d efin e d D y n a m i c Mu l t i - t a s k d is p a t c h i n g mec h - a n is m Was b u i l t T h e d a t a e x c h a n g e d b e t we e n t ask s W as s t r uct u r e d a nd p r o t e c t e d Th e mu l t i t askp r o gra m- m i n g met h o d W as a p p l i e d o n t h e c o ntr o l s o ftw a r e f o r ass e mb l y r o b o t ， b y m e a n s o f t h e r e l a t i v e p r o g r a m mi n g t e c h n iq u e s The a p p l i c a t i o n of t he met h o d h a d g o o d ef f e c t,o n des ig n of t he s oft w a r e f o r r o b o t ic re a l t i m e c o n t r o l s y s t e m Ke y wo r d s ：P r o g r a mmi n g；Ro b o t i c ；Re a l t i me 中图分类号 ： T P 3 1 1 文献标识码 ： A l引言 实时控制系统需要对外部执行装置的多种操作要求实现在 线、 实时控制， 控制运算需要多种传感器的信息反馈融合， 涉及 到大量数据的采集、 分析、 计算和决策【 1 】 。 在系统硬件资源和处 理能力有限的条件下， 需要设计合理的控制软件程序， 对多种操 作加以协调。 这里介绍一种多任务程序设计方法 。以程序任务方式表达 软件功能， 使程序设计更加标准化， 具有可扩展性。定义程序任 务并规划程序整体结构。在此基础上，建立多任务动态调度机 制， 充分利用 C P U资源， 实时响应多任务的触发执行。 定义数据 结构来存储任务间的交换数据，并在数据交换过程中进行相关 的数据保护。 将此程序设计方法，应用在装配机器人控制系统软件设计 中。在 Wi n d o w s 操作系统中采用 MF C编程技术进行程序设计， 构建基于非模态对话框的前后台控制程序，利用定时器和多线 程技术实现多任务程序动态调度。定义结构体存储任务问交换 的数据， 并用 Wi n d o w s 临界段进行交换数据保护。 多任务程序设 计方法对于机器人实时控制系统软件开发是有效的。 2面向多任务的程序设计方法 2 1 前、 后台方式的程序整体结构 在基于微处理器的控制系统中， 往往一个 C P U要同时处理 多项事务。如果系统不具备多任务软件环境，系统中的硬件资 来稿日 期： 2 0 0 5 0 4 1 8 源有限时， 需要用软件资源加以协调【 2 】 。 这里在控制系统软件中对程序任务进行定义 ：程序任务是 能够独立完成控制软件某一项操作的程序段。 程序任务具有以下的性质： 每个程序任务是顺序执行的； 程序任务功能相对独立， 不能 互相调用， 不能自身嵌套调用； 任务执行采用触发方式 ， 执行结 束后等待再次触发执行。 对控制系统需要完成的各项操作进行分析，确定与其相对 应的程序任务 ， 并把他们按前台和后台程序归类。 操作现场图像 使操作者的人机交互操作直观方便，同时图像采集和处理又是 机器人视觉系统的基础，在本文的程序设计研究中把图像和其 他非视觉传感器分开讨论。 前台程序主要完成人机交互， 包括图像采集显示、 操作对象 的状态反馈， 图像和传感器信息数据的预处理， 启动多任务的调 度等， 对前台程序的要求是实时响应用户操作， 及时反映现场操 作情况， 图像和传感器的预处理数据及时准确。 后台程序主要完 成控制运算 包括各种操作的控制算法， 任务调度， 图像的处理 识别等。对后台程序的要求是控制算法设计满足控制系统操作 的实时性 ， 任务之间的调度准确、 灵活， 合理分配大运算量任务 占用的 C P U资源。 前、 后台程序在实现相关程序任务的功能上是平等的， 前、 后台结构分别实现对不同功能的程序任务的集中管理，只是前 台程序提供给操作者直观、 独立的操作界面， 后台程序侧重于实 维普资讯 一9 0 一 刘景明等： 多任务程序设计方法在机器人实时控制中的应用 第 1 2 期 现高效的控制算法。前、 后台的程序任务在信息传递、 数据处理 上相互关联( 如图 I o 图 1 前、 后台方式的程序结构和程序任务 Fig 1 P r o g r a m s tr u c t u r e a n d t a s k i n t h e wa y o ff o r eb a c k p l a t f o r m 2 2多任务的程序动态调度机制 多任务动态调度是以高效利用 C P U资源， 满足控制系统实 时性要求为目标的程序设计机制。其核心是任务动态调度，简 要描述如下： t a s k d i s p a tc h i n g p r o c e d ure b e g i n s w i t c h( t o k e n ) ( c ase ( ( t o k e n ) &( T A S K O ) ) t a s k l _ p r o c e s s o r () ； c a s e ( ( t o k e n ) &( T A S KI ) ) t a s k 2 _ p r o c e s s o r ( ) ； c ase ( ( t o k e n ) ( T A S K 2 ) ) t a s k 3 _ p r o e e s ser ( ) ； d e f a u l t ： b r e a k ； l e n d 任务动态调度过程由前台程序负责启动停止，通常是经启 动后循环运行。 t o k e n 为程序任务标志， 也可理解为令牌， 由 后台 程序的操作指令来改变，任务标志的作用是动态触发或终止任 务的执行。为满足响应多个程序任务的要求， 在 t o k e n中以变量 标识位表示程序任务，假设 t o k e n是 6 4位程序变量，则对程序 任务进行以下变量标识位定义： # d e f i n e T AS K1 0x 01 蒯 e f n e T AS K2 0x 0 2 # d e fin e TAS K 3 0x 0 4 # d e fin e TAS Kl 6 O x 8 0 t a s k1p r o c e s s o r () ， t a s k 2 p r o c e s s o r ( ) ， t a s k 3_p r o c e s s o r ( ) ，是任务标志相对应的程序任务执行 体， 由后台程序中的控制算法实现， 在程序任务完成后复位任务 标志中相应的标识位。对于小运算量的程序任务，应确保在一 次任务调度中完成。对于运算量较大的任务( 如图像采集、 物体 辨识、 复杂机器人机构运动学逆解 、 神经网络控制算法等) ， 为防 止程序信息流发生堵塞， 需要将任务分块执行 ( 如图2 ) ， 即每次 任务调度完成相应的程序任务块。 (翌 =f 图 2不同运算量的程序任务动态调度 F i g 2 Dy n a mi c ma n a g e me n t for p r o g r a m t a s k of c a l c u l a t i o n v a r i a b l e s 2 3任务 间的数据交换 定义数据结构用来进行任务间交换数据的存储。在任务修 改数据的过程中对整个数据结构进行保护，禁止其他任务对数 据结构的读取操作。在对数据进行读取操作时，也要进行数据 结构的修改保护( 如图 3 ) 。 r一 一一一一一一一一一 r一一一一一一一一一一1 1 任务1 1 1 任务2 ： 图3任务间交换数据的保护 Si s 3 P r o t e c t i o n o f t h e d a t a t r a n s f o r me d a mo n g t a s k s 3装配机器人系统结构 装配机器人系统结构如图4 所示 ， 操作者与控制计算机实现 交互操作， 计算机通过运动控制器控制机器人完成装配操作。图 像卡通过摄像机采集操作现场的图像 ，信号卡采集力传感器信 号， 图像和力信息实时反馈到控制计算机， 形成闭环控制。 传感器信号采集卡 图 4 装配机器人系统结构 F i g 4 S t r u c t u r a l d i a g z a m o frob o t s y s t e m ass e mb l e d 在装配操作的接近阶段，计算机对采集的现场图像进行处 理识别， 得出工件当前位置和装配位置， 引导机器人执行抓取、 接近动作。装配定位阶段计算机实时采集力传感器信号。通过 特定的力 位控制算法， 完成插孔、 拧紧等装配动作。机器人工 作过程中， 控制系统需要完成多种控制操作， 图像信息和力传感 器需要进行实时处理。 4多任务程序设计方法的应用 在机器人系统中， 控制计算机上运行的控制软件采用多任务 程序设计方法编写， 先将需要完成的任务分配到前、 后台程序中： 前台程序任务： 图像采集显示 ， 机器人工作状态显示 ( 动作 阶段、 位置、 速度等) ， 零位开关、 限位开关的触发检测 ， 启动、 停 止任务调度。后台程序包括图像处理 ( 工件的识别和定位) ， 基 于图像和力传感器的装配操作控制算法， 操作者指令响应( 对应 不同的装配操作) ， 程序任务动态调度。 考虑到便于开发和调试、 可操作性要求， 在 Wi n d o w s 操作系 燮 鐾 霉 熏 一 鼽 维普资讯 第 1 2期 2 0 0 5年 1 2月 机 械设 计 与制造 Ma c hi n e r y De s i g n&Ma n u f a c t u r e 一91一 文章编号 ： 1 0 0 1 3 9 9 7 ( 2 0 0 5 ) 1 20 0 9 1 0 2 基于单片机控制步进电机细分驱动的实现 陈兴文刘 燕 ( 大连民族学院 。 大连1 1 6 6 0 0 ) o。 o。 o o。 o o。 oo。oo o o。 o。 o。 o。oo。o。o。o。o。o。 o o o。 o o。 o o。 o。 o o。 o。o。o。o。oo oo。o。o o o。 o。 o。 o。 o。 o。 o。o o。o。o。 o。 o。 o。 0 3 【 摘要1 分析了 等电流法和电流矢量恒幅均匀旋转法两种细分驱动方法， 提出了 基于单片机控制 ； 的电 流矢 量恒幅均匀旋转的细分驱动 技术， 实 现了两相四拍混合式步进电 机细分驱动。 为了 补偿步进 ；电 机相绕组电 流与其产生磁场之间非线性引 起的 误差， 采用了 最小二乘法对细分步距角 误差曲线进 ； 行了拟合与修正， 提高了细分精度。 2 ； 关键词： 步进电机； 单片机； 细分驱动； 拟合 2 。 。 。 。 。 。 。 。一 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 中图分类号 ： T M3 8 3 6 文献标识码：A 步进电机的细分驱动是通过控制各相绕组中的电流，使它 们按一定的规律上升或下降，即在零电流到最大电流之间形成 多个稳定的中间电流状态，相应的合成磁场矢量的方向也将存 在多个中间状态，且按细分步距旋转。其中合成磁场矢量的幅 值决定了步进电机旋转力矩的大小 ，合成磁场矢量的方向决定 了细分后步距角的大小。细分驱动技术可以进一步提高步进电 机的转角精度和运行平稳特性。目前广泛应用于机械制造、航 来稿 日期 ： 2 0 0 50 41 7 天、 机器人和精密测量等领域。 1步进电机细分驱动方案的选择 通常步进电机细分驱动有等电流细分驱动法和电流矢量恒 幅均匀旋转法。等电流细分驱动法在每次绕组电流进行切换 时， 不是将绕组电流全部通入或切除， 而是在一相绕组电流保持 不变的情况下， 另一相绕组电流均匀的增大或减小， 这样电机的 合成磁场只旋转原电角度的一部分，转子转过的角度也为步距 角的一部分 ，实现了细分驱动 。这时额定电流是 台阶式 的通入 统下采用V i s u a l C+的 M F C结构开发控制计算机应用软件程 序。前台程序由非模态对话框实现， 后台程序由MF C程序主框 架实现，都具有独立的操作界面和消息循环。非模态对话框隶 属于应用程序的视图。 具有视图指针变量， 可以实现前 、 后台程 序间的信息、 数据传递。 任务调度的启停是可控的，一般在前台程序中由操作者通 过鼠标、 键盘交互完成。任： 务动态调度过程是循环进行的， 采用 程序 主框架的定时器 T i me r 来实现 ，一次动态调度时间为 5 0 m s 。程序任务标志和相应的任务执行体由程序主框架成员变 量和成员函数实现。 对于大运算量程序任务。 采用 Wi n d o w s 多线程技术， 由辅助 线程来实现程序任务的分块处理。通过设定辅助线程的优先级， 可以调节 C P U对该线程的分配时间，相当于针对程序动态调度 过程划分出合理的程序任务块。在装配机器人的控制软件中， 图 像的采集和显示， 工件和装配位置的图像处理识别分别由各 自的 辅助线程完成， 优先级设为T H R E A D _ P R I O R I T Y _ N O R M A L 。 装配机器人控制程序任务间交换的数据结构形式如下： S t r u c t u r e 工件位置； 装配位置： 力传感器信息； l 任务间的数据交换可以有三种方式：采用 Wi n d o w s 消息循 环实现； 把交换的数据作为程序主框架类的成员函数； 也可以定 义全局变量的数据结构体。考虑到数据及时更新、多任务访问 的权限等因素， 设定该数据结构为全局变量。 数据结构体被修改和读取时，采