生机电一体化交互控制方法与系统集成技术分析研究电气自动化专业.docx

目录 摘要 I 第1章 绪论 1 1.1 课题研究背景 1 1.2课题研究目的和意义 1 1.3国内外研究现状及发展趋势 4 1.3.1人机交互 4 1.3.2 CANopen通讯 4 1.4本课题的研究内容及论文结构 5 第2章电机运行调试 6 2.1引言 7 2.2电机运行调试 7 2.2.1调试电流环 4 2.2.2调试速度环 4 2.2.3调试位置环 4 2.3本章小结 8 第3章机械臂接口通讯 10 3.1引言 10 3.2通讯系统介绍 10 3.3 CANopen通讯协议 12 3.4基于CANopen的机械臂控制 12 3.5本章小结 14 第4章机械臂人体姿态模仿实验 15 4.1引言 15 4.2实验设备介绍 15 4.3实验方案与分析 20 4.3.1单轴电机实验 4 4.3.2多自由度仿人机械臂实验 4 4.4本章小结 22 第5章 全文总结和展望 23 5.1总结 23 5.2展望 23 参考文献 24 致谢 23 摘要 本文针对仿人机械臂的运动，提出了基于CANopen通信协议，将人体上肢作指定运动时检测得到并处理后的角度信息，传输至机械臂，根据不同的角度信息，得到期望的机械臂运动的控制方法。本文主要论述利用CANopen通讯协议在C环境下控制仿人机械臂的运动，进行了相关电机的运行调试，详细的介绍了CANopen的对象字典以及报文形式，论述了SDO与PDO的传输方式，提出了以CANopen通讯协议为基础，控制机械臂运动的通讯方式，将人体上肢的姿态动作，通过运动学求解得出了各关节参数，利用Visual Studio控制程序将参数转化为对应电机运行相关角度的脉冲数，从而实现了仿人机械臂的动作交互。最后通过单轴电机控制实验与仿人机械臂机器人系统实验，验证了控制方法的正确性与可行性。主要步骤为：运行调试电机；分析研究CANopen通讯协议；根据CANopen 的规则，在C环境下编写设计控制程序以完成本项目机械臂要求功能；实验测试其可靠性与稳定性；通过反复试验改进，获得最佳的仿人机械臂运动控制方法。 关键词 仿人机械臂 CANopen通信协议 角度信息 机械臂控制方法 Abstract Aiming at the motion of humanoid manipulators, the control method based on CANopen communication protocol which can transmit the angle signal obtained from human upper limb in the specified movement to manipulators, making manipulators perform expected movement, is designed. This paper elaborates how to control the movement of manipulators according to angle signal and describes the application and development of CANopen protocol in manipulator control system. Eventually the control method is verified by experimental analysis to achieve the required functionality. The main steps are described as follows: analyzing the model of CANopen communication protocol; programming in Visual Studio according to the requirements of the manipulator based on the rule of CANopen communication protocol; verifying its reliability and stability in designed experments; modifying constantly to accomplish the optimal control method of humanoid manipulators. Key words humanoid manipulators CANopen communication protocol angle signal the control method of humanoid manipulators 第1章 绪论 1.1 课题研究背景 通过持续不断的发展，机器人技术己广泛应用于服务行业、教育、医疗、航空航天等领域。在这个过程中，机器人由一开始的遥不可及，到现如今已在生活中普及。随着公共服务场所，家居等场合机器人的数量越来越多，对于机器人的运动控制就凸显得尤为重要。使机器人更好融入生活的根本在于保证机器人能够根据人的意图提供服务，在保障安全的基础上，追求机器人的智能化与人性化。 随着对于机器人技术研究的深入，人与机器人之间的“对话”必不可少。这种通过计算机的输入与输出实现“对话”的过程被称为人机交互。如何增加人机交互的沉浸感与真实性，如何提高人机交互的效率与实时准确性等一直是机器人技术研究中的主要方向。人机交互的基础就是能够识别人体所表达的信息。基于仿人机器人的人机交互首先面临的问题就是识别人体的姿态，由于姿态的复杂性与多样性，准确控制仿人机器人的运动具有一定的挑战性，同时也具有相当的研究价值与意义。 1.2课题研究目的和意义 本文针对仿人机械臂的人机交互方式做出探讨和研究。随着工业4.0计划的提出，“智能化”已经被推到了时代的最前沿，而机器人技术研究则是智能化研究中最重要的一环，因此，更加凸显了作为机器人技术核心的人机交互技术的重要性。随着社会需求的不断提高，设计出能为大众所广泛使用的人机交互界面已成为科学家们共同关注的焦点。所以本项目所研究的仿人机械臂作为人机交互的典型案例，对其的深入研究具有十分重要的意义。 1.3国内外发展现状 1.3.1人机交互 机器人参与人类的活动并与人共处称之为人机交互(Interaction between human and robots)。人机交互的目的存在于打通人与机器人交互的一种知识渠道。人机交互的第一篇文献是美国学者B.Shackel提出于1959年，此后，人机交互的学习与研究一直吸引着众多学者的参与[1]。 最原始的人机交互表现为通过信号灯与纸片等进行与计算机的交互，经过计算机技术几十年的发展，交互效率在人机交互界面的出现后有了极大提升，但距离满足人机交互的要求还有很长的路要走。近些年来，智能机器人技术的深入研究与趋近成熟，为人机交互的发展提供了强大的驱动力。现如今语音交互、手势交互、视觉交互甚至情感交互都可以通过智能机器人技术来实现。可以大致将人机交互的发展分为以下几个方面： 1. 语音交互： 在TTS(text to speech)[2]技术的基础上，使机器人的语言功能成为现实，通过隐马尔科夫[3]模型，利用语音处理器将文字转化为语音输出。同时STT (speech to text )[4]技术可通过隐马尔可夫算法将语音转化成文本，TTS技术与STT技术的结合实现了人机交互中的语音交互，由于语音在人机交互中的优势，使语音交互有较为广泛的应用。 2. 视觉交互： 视觉交互即利用摄像头等硬件赋予机器人“视觉”，使其能够实现人眼的视觉功能，处理与认知周围环境事物等。视觉技术主要包括对于周围环境图像的采集与获取、图像的传输以及后期处理，后期处理分为图像的分割、锐化、编码、解码以及图像的特征提取等。通过视觉感知技术随时捕获交互场景中的静态、动态信息，在充分理解上下文信息的基础之上，充分理解用户的意图，从而完成自然、高效、可靠的交互任务[5]。 3. 数据交互： 人机交互的本质就是各种形式的数据进行交互，数据交互也是人机交互技术中最传统，最为成熟的一种。通过不断发送输入计算机可识别的命令，等待计算机完成指令任务，控制机器的运动等以实现以数据为基础的人机交互。 4. 动作交互： 动作交互指参照人体本身肢体的动作，与机器人进行交互，希望机器人进行动作模仿或作出对应的反应动作等。实现动作交互的基础是将人体对应的姿态数据进行采集处理，转化为计算机可识别的指令。动作交互相比前三种交互方式效率更高，效果更为明显，但是由于人体姿态十分复杂，所以动作交互对于机器人动作捕捉，数据处理的要求更高。基于动作的交互是本文研究的重点，通过运动学求解以及X-sense传感器获取人体关节角度数据，经过处理后发送至仿人机械臂以实现人机交互。 1.3.2 CANopen通讯 CAN是控制器局域网络(Controller Area Network, CAN)的简称，是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司所开发。Philips半导体公司于1991年9月制定并发布CAN技术规范：CAN 2.0 A/B，并最终成为国际标准(ISO 11878 ) [6]。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议[7]，是应用最广泛的现场总线技术之一。 CAN是一种串行通信协议，可以实现点对点、一点对多点和全局广播方式的数据传输方式，易于扩展。CAN传输速率最高可达1 Mbit/s。CAN总线技术特点主要有： 1. CAN成本低、总线利用率高、功耗低，可被置于任何内部活动的睡眠方式，可借 助任何总线激活或者系统的内部条件唤醒其睡眠状态。 2. CAN规定任何要发送数据的节点必须首先监听总线是否空闲，在监测到空闲状态 的情况下，每个节点都有均等的机会来发送报文。 3. CAN规定每个网络节点或数据帧分配不同的优先级，根据实时要求级别的不同进 行传输。在134 μs内，高优先级的数据可得到传输，优先级低的则需要等待一段时间间隔后重发。 4. CAN采用短帧数据格式，每帧报文允许传输最高8个字节的数据，受干扰频率低， 传输时间短。 5. CAN容错性能良好，每帧信息都有CRC校验或其它检错措施，保证了数据出错 率极低。在严重错误时CAN节点则会自动关闭输出，保证不影响总线上其他节点的操作，有效地保证了关键信息在总线不会拥堵。 6. CAN总线基于报文的通信技术允许报文以“广播”的形式发送到所有节点，但由接 收节点本身的设置决定报文是否要做进一步处理或被丢弃。 CAN本身并不完整，只包含物理层和数据链路层，没有规定应用层，CAN报文中的11/29位标识符、8字节数据的使用需要由一个高层协议来定义。CANopen是建立在CAN(Controller Area Network)串行总线之上的应用层协议。它支持多种传输模式，具有良好的开放特性，并能极大程度地降低CAN总线网络数据的负荷，从而使CAN总线成为一个更加完善的网络系统[8]。 1.4本课题的研究内容及论文结构 本文在查阅大量文献资料，掌握国内外研究进展的情况下，对生机电一体化技术进行了深入的研究。具体章节安排如下： 第一章 绪论：主要介绍了本课题的研究背景和研究意义，人机交互技术的主要研究现状，人机交互技术的主要发展阶段，CAN总线技术以及CANopen通讯协议。 第二章 电机运行调试：利用