六自由度机器人控制系统设计说明书

- 1 -1 前言1.1 焊接机器人的发展历史与现状现代机器人的研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。美国原子能委员会下属的阿尔贡研究所为解决可代替人进行放射性物质的处理问题，在 1947 年研制了遥控式机械手臂；1948 年又相继开发了电气驱动式的主从机械手臂，从而解决了对放射性物质的进行远距离操作的问题。1954 年，美国科学家戴沃尔最先提出工业机器人的概念，并申请了新的专利。其主要特点是借助伺服技术来控制机器人的关节，并利用人手对机械手臂进行动作示教，机械手臂能实现人物动作的记录和再现。这就是示教再现机械臂，现在所用的机械手臂差不多都采用这种控制方式。伴随着现代社会的发展，为了提高生产效率，稳定和提高产品的质量，加快实现工业生产机械化，改善工人劳动条件，已经大大改进了机械手臂的性能，并大量应用于实际生产中，尤其是在高压、高温、多粉尘、高噪音和重度污染的场合。焊接机器人的诞生可以追溯到上世纪 70 年代，是由日本发那科（FANUC）公司生产的小型机器人改进的，受限于当时的技术手段以及高昂的造价，使得当时的焊接机器人不能得到很好的应用。机械手臂是一种工业机器人，它由控制器、操作机、检测传感装置和伺服驱动系统组成，是一种可以自动控制、仿人手操作、可以重复编程、可以在三维空间进行各种动作的自动化生产设备。机械手臂首先是在汽车制造工业中使用的，它一般可进行焊接、上下料、喷漆以及搬运。它可代替人们进行从事繁重、单调的重复劳动作业，并且能够大大改善劳动生产率，提高产品的质量 1。到了 90 年代初，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。工业机器人的制造水平、控制速度和控制精度、可靠性等不断提高，而机器人的制造成本和价格却不断下降。在西方国家，由于劳动力成本的提高为企业带来了不小的压力，而机器人价格指数的降低又恰巧为其进一步推广应用带来了契机，采用机器人的利润显然要比采用人工所带来的利大，使得焊机机器人得到了推广，同时技术的进步也使得焊机机器人技术得到很大提高。进入新世纪之后，由于各国对焊接机器人的不断重视，使得焊接机器人技术取得了很大的进步。同时由于其焊机精度及更低的生产成本，也使得它得到了越来越多的应用。目前，焊接机器人主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻以及热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都还不能满足工业生产发展需要。在一些特殊的行业，使用它来代替人工操作的，主要是在危险作业、多粉尘、高温、噪声、工作空间小等的不适于人工作业的环境。- 2 -1.2 焊接机器人发展趋势近些年来，国际机器人界都在加大科研力度，随着机械工程、电子工程、自动控制工程以及人工智能等长足的进步，焊接机器人技术也得到了长足的发展.不断向智能化和多样化方向发展是未来一段时间的总体发展趋势。具体而言，表现在如下几个方面: 1）机器人操作机结构通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人操作机构的优化设计.探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载/自重比。机器人结构向着模块化、可重构方向发展机器人的结构更加灵巧，控制系统愈来愈小，二者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术，实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。2）机器人控制系统重点研究开放式，模块化控制系统。向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。3）虚拟机器人技术虚拟现实技术在机器人中的作用已重仿真、预演领域发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥控操作和人机交互。4）机器人传感技术机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。5）机器人性能价格比机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格却不断地下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器人系统的可靠性有了很大提高。 1.3 焊接机器人简介焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。 焊 接 机 器 人 主 要 包括 机 器 人 和 焊 接 设 备 两 部 分 。 焊 接 机 器 人 由 机 器 人 本 体 和 控 制 柜 组 成 。 而 焊 接装 备 ， 以 弧 焊 及 点 焊 为 例 ， 则 由 焊 接 电 源 ， （ 包 括 其 控 制 系 统 ） 、 送 丝 机 （ 弧 焊 ）、 焊 枪 （ 钳 ） 等 部 分 组 成 。 对 于 智 能 机 器 人 还 应 有 传 感 系 统 ， 如 激 光 或 摄 像 传- 3 -感 器 及 其 控 制 装 置 等 。世 界 各 国 生 产 的 焊 接 用 机 器 人 基 本 上 都 属 关 节 机 器 人 ， 绝 大 部 分 有 6 个 轴 。其 中 ， 1、 2、 3 轴 可 将 末 端 工 具 送 到 不 同 的 空 间 位 置 ， 而 4、 5、 6 轴 解 决 工 具姿 态 的 不 同 要 求 。1） 机器人的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机器人赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机器人各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机器人各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。焊 接 机 器 人 手 臂 是 一 种 仿 人 式 的 机 械 。 其 模 仿 人 类 的 手 臂 ， 而 要 实 现 像 人 手一 样 的 功 能 来 就 要 借 助 类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构，而提供动力的肌肉就由驱动传动系统来代替 2。其结构框图如图 1.1 所示：机器人执行机驱动-传动机控制系统机器人各关节电、液或气驱动装置关节协调及其它信息单关节伺服驱动图 1.1 焊 接 机 器 人 结 构 框 图2） 与 通 常 的 过 程 自 动 控 制 系 统 类 似 ， 焊 接 过 程 自 动 控 制 系 统 一 般 为 闭 环 反馈 系 统 。 它 可 分 为 被 控 对 象 、 比 较 器 、 控 制 器 以 及 执 行 机 构 四 部 分 。 为了实现焊接机器人对空间焊缝的自动实时跟踪和焊接参数的实时控制，设计的是以 DSP 为主控制器的焊缝实时跟踪和控制的交互式控制系统。DSP 作为系统的核心控制器产生控制信号，驱动步进电机动作，同时利用 DSP 的数字通讯功能与 PC 进行通讯，从而实现对焊缝的实时跟踪和控制。其 结 构 框 图 如 图 1.2：- 4 -比较器 控制器 执行机构 被控对象焊接过程检测系统焊接过程图 1.2 控 制 系 统 结 构 框 图2 焊 接 机 器 人 机 械 部 分 设 计本次的设计是参考机械学院二楼机器人实验室中的 Motoman 机器人而设计的。它的一些参数也是对实验室中机器人的观察、测量而得到的。2.1 焊接机器人设计本次设计的机器人具有六个自由度 ，它们分别是腰关节的移动和转动、大臂的摆动、小臂的摆动和腕部的转动（两个自由度） ，都为关节连接，除了这些结构外，还必须有导轨以及一个用于夹持焊枪的机械手。2.1.1 导轨的设计焊接机器人的底座并不只是固定不动的，它可以利用导轨在一定的范围内移动，根据实际情况，此次设计的导轨可以在水平方向上移动，以增加它的工作范围，方便焊接工作的完成。导轨的结构简如图 2.1 所示：图 2.1 导轨的结构简图.导轨选用的是滚动导轨，其结构简单、安装方便且具有较小的摩擦系数，选择- 5 -合适的滚珠丝杠螺母副用来带动导轨运动，最后再选择适当的电机。丝杠螺母副的选择：计算最大动载荷 CC= fwF (2.1)3LL=60*n*T/106 (2.2)n=100*vs/L0 (2.3)上式中，L 0滚珠丝杠的导程，初步选为 6mm；vs最大负载下的速度，这里选其为 vs=0.6m/min；T使用寿命，可按其为 24000h；fw运转系数，取值为 fw=1.21.5；L使用寿命，以 106 转为 1 个单位；n=100*vs/L0=50（r/min ） L=60*n*T/106=72C= fwF=4776.3（N）3查阅机电课程设计指导书可看出，选择 WD4506 外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠副可满足要求，选定等级为 3 级。丝杠电机的选择：首先来选择齿轮传动比：取其值为 i=0.8，取 z1=32，z 2=40。计算传动系统折合到电机轴上的总的转动惯量为 J =JM+J1+( Z1/Z2)2 (J2+JS)+W/g（L 0/2） 2 (2.4)在式中，J M电机转子转动惯量；J1,J2齿轮 Z1,Z2 的转动惯量；滚珠丝杠转动惯量；s初选伺服电机为 PAC12,其转动惯量为 10.7kg*cm 3- 6 -JZI=0.78*10-3*d14*L1=2.71(kg*cm2 ) (2.5)JZ2=0.78*10-3*d24*L2=6.42 (kg*cm2 ) (2.6)JS=0.78*10-3*d4*LS=35.837 (kg*cm2 ) (2.7)代入上式： =JM+J1+( Z1/Z2)2(J2+JS)+W/g(L0/2)2=39.374( kg* ) 2cm考虑电机与传动系统款两相匹配问题。Jm/ J =0.273 (2.8)基本满足设计要求。2.1.2 基座的设计图 2.2 基座示意图基座主要起着支撑整个机械人的作用，要有足够的强度和刚度，一般用铸铁或铸钢制造，设计合适的基座能够减少机器人在运动中的产生的震动，避免因震动而使焊接出现误差。除此之外，基座还必须能够旋转，以保证机器人具有较大的工作空间，较好的完成焊接工作，这里选用带有滚珠的轴承来支撑，其比一般的结构具- 7 -有较大的支撑力和较高的稳定性。大臂小臂腕部所有质量为80kg，最大回转半径 。mR50则转动惯量： 221 1.5.08kgRmJ执行器回转从 ，需要时间 。s0 st.1加速度： 2183.5.084radta回转驱动力矩： NmJT49.612kWnPjj 0389.28.5093.500 ktGDaJja 073.5.17)69(4613732322）确定电机的额定功率 。 可以按下式确定：0m002jjamPW2.03.89.2力矩： NmJlFT 698.47.65.081 2.1.3 机器人腕部的设计腕部用来连接操作机手臂和末端执行器，并决定末端执行器在空间里的姿态。腕部一般应有 23 个自由度，结构要紧凑，质量较小，各运动轴采用分离传动。焊接机械手的腕部运动一般可以分为上、下运动以及转动，上下运动可由电机带动带轮来控制，转动可以由电机带动键连接来实现其转动 4。腕部结构形式的设计要根据机器人的运动形式、末端执行器的重量、运动精度以及完成动作的自由度要求等来决定的。因此设计腕部是应该考虑以下几点要求的：（1）腕部的结构和尺寸应该满足机器人的空间要求；（2）所选结构要紧凑，尽量减轻重量以减少手臂部分的载荷；（3）根据腕部的承受载荷和结构的特点，合理选用材料；（4）要求运动速度高，惯性小。下面为齿带轮的传动示意图：- 8 -图 2.3 传动带示意图计算同步带： （1）总体参数： md630ZkWPd2.kP2.06.1AK有所选电机特性可知：输出功率0.2kW，锥齿轮效率0.98（2）设计计算：1.设计功率 dP kkKAd 3.612.选定带宽和节距 L型带，节距9.585mm，基准宽度25.4mm3.小带轮齿数 1Zmin1Z214.小带轮节圆直径 1d mPdb70.64.3015.大带轮齿数 2Z2612iZ6.大带轮节圆直径 2ddb95.04.3027.带速 v smnv 47.1671.601 8.初定轴间距 oa210217. dad故取m3.535a09.带长及其齿数 PLmadd4302021210 4Z- 9 -由文献2表14.1-51 选取标准节线长 ，PLm80.43110.实际轴间距 aLaP 2680.4312500 11.带宽 Sb mKbZdsS 53.1.14.14.00 12.作用在轴上的力 rFNvPdr 7.9.322.1.4 机械抓手的设计机械抓手在本设计中具有很大的作用，现在在抓具市场中倍受青睐的机械抓手主要有：多工位机械抓手；手自动更换器，转塔多爪手 5。机器人的作用要靠末端部件才能落实然而末端部件不可能做得象人手那样通用和灵巧因此，为了使机器人具有柔性必须准备若干套应付不同作业和不同对象的手。在本次设计中所采用的机械抓手不需要太多的功能，因此并没有设计的过于复杂，主要是用来抓取和握紧（吸附）专用工具（如喷枪、扳手、焊具、喷头等） ，来进行相应的操作。它具有模仿人手动作的功能，安装于机器人手臂的前端。其结构简图如图2.4所示：图2.4 机械抓手结构见图- 10 -抓手手指是与焊枪进行直接接触的部件，通过电机的转动带动连杆的运动来实现机器人机械抓手的松开和夹紧。2.2 选择驱动方式本次设计的是六自由度机器人，它一共具有六个独立的转动关节。机器人常用驱动方式有液压驱动、气压驱动以及电机驱动。这三种驱动方式各有各的特点，可以根据实际情况选择合适的驱动方式。下面对此三种驱动方式的特点进行比较，再根据具体情况选择适合此次设计的驱动方式。如下表 2.1 所示：表 2.1 各种驱动方式性能、参数对比驱动方式比较项目 液压驱动 气压驱动 电机驱动输出功率 其输出功率很大，压力范围一般可为50140 Pa输出功率较大，压力范围一般为 4860Pa较大响应速度 很高 较高 很高控制性能是利用液压的不可压缩性，其控制精度高，可输出很大的功率，可以进行无级变速，其反应灵敏，可以实现连续轨迹控制其气体压缩性大，但是精度低，阻尼效果也不是很好，低速时很难控制，不适合高速、高精度的连续轨迹控制其控制精度高，输出功率比较大，定位精度较高，反应灵敏，可实现高速、告警的的连续轨迹控制，伺服特性好，但控制形同复杂结构性能及其所占体积其机构适宜，执行机构可以标准化、模拟化，比较容易实现直接驱动。其功率/质量比较大，体积小，并且结构紧凑，但是密封问题较大气结构适当，执行机构可以标准化、模拟化，荣易实现直接驱动。功率/质量比大，体积叫小，结构紧凑，密封问题确是较小其伺服电动机易于标准化，噪声低，结构性能好，电机一般应配置减速装置，除 DD电动机外，很难直接驱动，结构比较紧凑，没有密封问题对环境的影响 期存在漏油风险，对环境可能污染排气噪声比较严重 无- 11 -安全性它是以液压油作为传动介质，一定条件下有可能引发火灾，防爆性能较好，其自身压强不能过大，当其压强超高 10 个标准大气压是，应注意设备的抗压性，防爆性能好，直流电动机换向时可能产生电火花，对周围环境的防爆性能较差，设备本身无爆炸和火灾危险，成本 成本较高 成本低 成本高维修及使用维修方便，但油液对环境有一定的要求比较方便 相对来说比较复杂在工业机器人中应用范围比较适用于重载、低速驱动，适用于喷涂机器人、托运机器人和点焊机器人一般用于中小负载驱动、精度要求较低的控制机器人，比如冲压机器人的气动平衡；装配机器人的气动夹具可用于中小负载、但要求具有较高的轨迹控制精度和位置控制精度的机器人，如点焊机器人、AC 伺服喷涂机器人、装配机器人以及弧焊机器人等由上表可以得出，各种驱动方式都有它们自己的特点，对本次机器人的伺服驱动系统的要求如下：(a)驱动系统的质量应该尽可能的轻，这样才能使输出的功率高，才能实现比较高的生产效率；(b)其反应速度要快，力矩转动惯量比和力矩质量比要大，使焊接机器人能进行频繁地正、反转切换，以及起、制动等；(c)安全性必读得到切实的保障，这是任何产品设计使用时所必须遵守的原则；(d)驱动也要选择比较灵活的，灵活的驱动方式可以减小速度偏差和位移偏差；(e)要尽可能减小对周围的环境污染，还有就是噪声要小，成本不易过高；(f)应该遵循操作和维护都要方便的原则；2.3 键的校核- 12 -图 2.7 键示意图在平键连接时，它的实效主要是由于工作面被压溃而导致，除非是当严重过载时，一般来说是不会出现键的断裂。所以，一般我们只需按其工作面上的挤压应力进行强度的计算。而对导向平键联接来说，其主要是由过度磨损引起的失效，一般按照工作面上的压力进行强度校核计算 。13假定键上的载荷分布均匀，平键连接的强度为p=2T*103/kld p （2.22）k键与轮毂键槽接触的高度，k 为 0.5h,这里的 h 为键高度；T传递的转矩，其单位为 N*m；d轴直径；l键工作长度； p最弱材料的许用应力，其单位为 MPa我们选择肩部一个键 8*7*50 举例计算p=2T*103/kld p=53.25MPa 100 MPa （2.23）所以可以验证其成立，同理验证其他。2.4 轴的校核选择材料为 45 钢重物经估计约为 80kg，设计轴的宽为 45cm,轴的长度为217cm。压力均匀分布长度 100cmq=80*9.8/1=784N (2.24)由于载荷及支撑反力几乎对称，故两端支撑反力为：Fa=Fb=2.17/2=1.085 (2.25)由于截面左侧的外力只有 Fa，且 Fa 在截面上引起剪力为正，故 C 上剪力为Fc=Fa=1.085KN。弯矩为 (2.26)KNqFMa421.075.0*弯曲强度条件为：max=Mmax/W=91.33Mpa100Mpa (2.27)故可以根据轴的尺寸选择来选择轴承。- 13 -3 控制系统3.1 控制系统的选择机器人控制系统是其控制和信息处理的主体,它设计性能的好坏直接决定了机器人系统的整体能力。在先前的机器人中,尤其是工业机器人，它们所采用的控制系统一般是设计者根据机器人本身的结构开发的, 其采用了专用计算机、专用操作系统、专用机器人语言、专用微处理器,这种封闭式的结构限制了当时机器人的灵活性和可扩展性。伴随着科技的不断发展,现代化生产和对机器人研究的深入，人们对机器人控制器开放性的要求越来越迫切. 现代化高精尖制造业要求工业机器人具有更强大的编程环境和更大的柔性,为了提高机器人智能水平和系统性能,就要求机器人控制器具有集成各种外部传感器的能力和开放结构 6。要建立控制系统，首先需要选择硬件平台，控制系统硬件平台对于系统的开放性、实现方式和工作量有很显著的影响。封闭式的结构具有特定的使用环境、特定的功能, 不方便对系统进行改进和扩展，其软件的独立性也很差。它的逻辑结构和软件结构太过于依赖硬件。所以，开放式机器人控制系统是现代机器人研究的重要方向。- 14 -常用的控制系统应满足：硬件结构具有实时计算能力；硬件系统基于标准总线机构，具有可伸缩性；硬件系统实现模块化，方便更改传感器、各种接口和特殊计算机等；还有就是降低成本。3.2 控制系统的搭建控制系统是机器人伺服控制系统的核心, 它能够完成对各个轴与电机的变频器整流控制、运动控制、人机界面、系统保护和保持与上位机之间通信等功能。其中DSP是整个控制系统的核心部件, 它能够实现六轴伺服电机的控制算法和伺服系统的保护以及整流器的控制等。因此，我们可以确定此次设计的焊接机器人控制系统的为基于 DSP 的微机控制的焊接机器人的控制结构。它由计算机控制系统、DSP 控制系统、驱动装置、手动控制系统、反馈装置等组成。首先是计算机控制系统。它通过 USB 接口与 DSP 控制系统实现数据共享，同时对还能进行实时的控制与监视，系统能够根据给定电机的相关参数以及对反馈信号信号的处理，进而达到对系统进行控制的目的。RAM 为 DSP 的存储结构，它能掉电失忆，即我们通常所说的易挥发性。它能够缩短加工时 DSP 读入读出数据和程序所用的时间，并将写入的数据进行先期处理，然后处理好的数据输入到随机的存储器中，供系统使用。位置开关能够发出信号，这是我们判断系统进行运动和停止时的依据。而手控系统是对自动控制的补充，主要用来进行一些比较简单的控制和加工过程 7。光电编码器是数字伺服控制系统必不可少的反馈电机运动信息所需的器件。我们把光电编码器固定在电机轴的一个转盘上, 转盘上面刻有均匀细缝, 转盘的一边是光电转换器件, 另一边是光源。电机转动时转盘随之转动, 于是光源就可以透过细缝照到光电转换器上,并使之产生一定频率的电压脉冲, 而控制器就可以根据这些脉冲的宽度和频率获得电机的转速和位置。焊接机器人上有六个转动关节, 一次我们需要在每个关节都安装一个伺服电机进行单独的驱动。一次我们需要安装6个光电编码器才能达到我们设计所需的要求。DSP 要处理计算机和处理器之间的通信问题，同时还要对电机的运行状态进行监控。这些就要求 DSP 具有良好的丰富的外部空间、运算功能以及中断资源的能力。根据以上这些情况，我们决定选择的 DSP 型号为 TMS320LF24078。3.2.1 DSP 芯片本系统所使用的DSP芯片是TI公司C2000 系列中的TMS320-LF2407。它是专门为基于控制应用而设计的。此系列的DSP芯片将具有丰富的微控制器外设功能以及高性能的DSP内核集成于单片中，使它成为传统的高成本的单片设计和微处理器单元理想的替代产品。它具有20 MIPS到40 MIPS的指令运算能力，这使得TMS320-LF2407控制器能提供比传统的为空气更高的性能以及性价比。LF2407作为TMS320F24X系列的产- 15 -品，具有用于高速信号处理和数字控制功能所必需的结构，同时还具有单片电机控制所必需的外设功能。它具有改进的哈佛结构，可以通过外部总线分别访问数据、程序、输入/输出三个独立的空间 9。生产该型号芯片的是TI公司。美国TI公司是世界上专门从事DSP 器件设计和制造的大厂商之一, 其DSP 产品特别适用于通信、控制和消费类电子产品。其中C2000 系列具有独特的技术先进性, 被交流变频产品普遍采用, 而TMS320LF2407是该系列中功能最强大的一款。它的电机控制主要由其EV( Event-Manager,事件管理器) 完成。3.2.2 硬件工作原理我们要求焊接机器人能准确的执行主机的指令并迅速的将其执行，同时还应该能够较好的完成运动、停止等的动作，这些动作的完成质量和它相应的控制系统的先进性是密切相关的，它是以 CPU 为核心，同时由时钟单元、电源单元等组成。3.2.3 PWM 驱动单元电机是由PWM驱动电路来控制的。我们所用的TMS320LF240产生的PWM，其有效值为3.3V，不符合电机的额定电压。因此，我们需要用PAC伺服放大器驱动电机，也就是要把DSP芯片产生的4路PWM，先通过通过PAC伺服放大器放大电压之后，来驱动伺服电机运转。伺服放大器同样可以用来接收光电编码器的信号，再通过伺服放大器把信号传给DSP系统，然后DSP控制系统会针对传入的信号，发处相对应的处理信号，这些信号可以用来调节电机运动状态 10。3.2.4 伺服电机与光电编码器这次设计采用的是北京PAC公司生产的与PAC伺服放大器相适合的伺服电机，它自带着光电编码器，可以输出两路脉冲序列。同时TMS320LF2407拥有两个正交编码电路，这样就让我们可以测出电机的转速而无需外另外再增加测试电路，这样就可以极大的减少总体电路所需要的空间，这就在一定程度上提高了电路的稳定性。3.2.5 CAN总线- 16 -CAN数据通信单元主要用来实现DSP与上位机之间的通信。为了能够实现机器人的快速灵活, 我们要求DSP与上位机的通信速度尽可能得快。在TMS320-LF2407提供的三种串行总线中, SCI相对于SPI而言,虽然使用的线少一半, 但速度相比而言也要慢很多,在40MHz 的CPU 时钟下, SCI 的通信波特率最高只能到1875Kbps, 而SPI 在30MHz下最高就能达到7.5Mbps。但是CAN总线能够进行远距离的通信,速度较之SPI差不多,所以我们在此选择CAN总线 12。其CAN总线如图3.3所示：图3.3 CAN总线与计算机通信的方式一般有四种: RS-232 异步串口、并口、PCI总线和USB 总线。并口与PCI 总线连线过多且与SPI 连接转换很困难,而USB总线虽然速度能满足要求, 而且也能较方便地与SPI 总线实现连接转换，但是其成本偏高。而RS-232虽然速度比较低，但是与CAN连接转换最方便。所以与上位机的通信选用了RS-232 13。RS-232是美国电子工业协会(EIA)制定的串行总线的物理接口标准之一，这一标准规定了在串行通信中，从属模块和主控制模板之间的物理连接线路的电气、机械、过程特性和功能，两端都必须遵循这一共同的约定。由于串行通讯方式具有成本低、使用线路少的特点，它特别适用于远程传输，从而避免了多条线路特性的不一致，因而被广泛采用。目前通信工业与PC机中应用最广泛的一种串行接口就是RS-232。其示意图如人如3.4所示：- 17 -图 3.4 RS-232 电路示意图3.2.6 CPLD 单元CPLD 单元是偶一片CPLD芯片和若干中等规模的逻辑芯片共同组成的。其作用是用来实现驱动的接收与转换、手动按键信号、数码显示，还有就是辅助DSP 与外存间的通信。这里选用的CPLD是CYPRESS公司Ultra37000系列中的CY37064VP100。它具有64个I/O 引脚,64个宏单元, 工作频率最高可达143MHz, 可以进行比较复杂的组合逻辑与实时运算, 可以满足我们的设计要求 14。为了保障系统安全，同时也是为了调试方便, 每片TMS320-LF2407都能产生一些表示当前运行状态的信号, 再用4个独立I/O接口把这些信号发送CY37064V ,它再经过片内的逻辑转换, 之后驱动数码管就可以显示出每片TMS320-LF2407的状态信息了。这样, 我们可以在系统调试或运行时, 就能直接通过肉眼干差系统当前的运动状态了, 这样就方便我们对危险情况做出及时的处理了。在系统运行或是调试的时候, 有时需要我们人手直接干预系统的运行,这是要求我们在控制基板配备手动输入按键,按键的信号由CPLD通过逻辑转换进行处理后,被输入到51单片机内核的USB逻辑转换芯片里,在此芯片中经过一些处理后可以控制相应的DSP做处对应的操作 15。3.2.7 其他电路（1）显示电路为了在系统调试时，能够进行直观的观察与操作，我们选用液晶显示模块。如图 3.5 所示：- 18 -图 3.5 显示模块电路作为显示电路，它的结构简单，简单的结构减少了它出现故障的几率，同时简单的结构也使得它的维护非常的方便，更是降低了成本。直观的界面更是方便了使用人员对整机的状况有更加详细的了解（2）JTAG 电路为了便于对系统的升级与调试，我们在设计电路的时候需要预留出 JTAG 调试接口，以对 DSP 进行升级与调试。图 3.6 JTAG 电路JTAG 作为调试接口，能迅速的将接受到的信息发送到输出端口，非常方便用户了解 DSP 输出的信息，这样就非常的方便用户根据 JTAG 输出的信息了解整机的情况，方便对 DSP 的生机与调试。2）扩展电路扩展电路的主要作用就是为了方便系统以后的升级工作，这样方便外围电路的扩展，便于以后为电路部分添加元件。这样能够保持系统的先进性，能够引入先进的控制方式，以提高焊接机器人生产效率和产品质量扩展接口的作用是接行程开关等 16。- 19 -此电路接口可以支持多种的外设，非常的方便用户对其功能进行扩展。图 3.8为其 DSP 扩展电路：图 3.8 DSP 扩展电路DSP 扩展电路是为了更好的方便用户对焊接机器人进行硬件上的升级。当然根据实际情况，我们还可以增加更多的 DSP 扩展电路，来满足需要对焊接机器人进行多方面升级的。4 结 论4.1 已完成工作工业机器人自从 80 年代开始在国内已经开始飞速的发展起来，到现在来说虽然离世界尖端水平还有一段差距，但是已经很广泛的在应用，也就是说在国内还有- 20 -很大的发展前景，在这方面需求的技术也非常的多，包含着很多机遇，也蕴藏着严峻的挑战。本文针对学习的需求对六自由度机器人进行了简单的设计，目的就是了解工业机器人的设计过程，掌握一些基本的东西，为以后能为国内工业机器人的发展尽一些微薄之力。根据本文所做的工作，得到以下几点结论：1)根据机器人的任务要求，提出了六自由度的总体构型，完成了机器人系统总体方案的设计。2)进一步完成机器人具体关节的设计。3)完成了机器人本体结构的设计。4)此次设计的机器人控制系统，是基于 DSP 的控制系统。通过对 DSP 及其外设的了解和观察，才最终完成了对给予 DSP 的焊接机器人的控制系统的设计4.2 存在的不足此次毕业设计给了我们充足的时间，但是由于我设计经验不足，在设计时难免会存在各种的不足。还希望各位老师予以指正。本课题还有许多工作有待进一步完成，主要包括：1)完成