机器人电机控制new

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1、第35卷第24期计算机工程2009年12月Vol.35No.24ComputerEngineeringDecember2009·开发研究与设计技术·文章编号:1000—3428(2009)24—0247—03文献标识码:A中图分类号:TP242小型仿人机器人电机控制系统的设计与实现张怡,刘成刚,邢登鹏(上海交通大学自动化系,上海200240)摘要:设计小型仿人机器人的电机控制系统,以实现多自由度运动控制和协调是机器人技术中的一个难点。针对传统控制器控制的电机数量少、难于实现关节协调的缺点,提出一种基于数字信号处理器(DSP)的新型电机控制系统。通过整

2、合DSP、电机控制集成电路和正交解码单元,发挥DSP的运动控制能力,实现对多路不同类型电机的实时控制。该系统可以获得符合要求的转角控制精度。关键词:仿人机器人;数字信号处理器;电机控制;正交解码DesignandImplementationofMotorControlSystemforSmallHumanoidRobotZHANGYi,LIUCheng-gang,XINGDeng-peng(DepartmentofAutomation,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240)【Abstract】Thedes

3、ignofmotorcontrolsystemforsmallhumanoidrobotstorealizemotioncontrolandcoordinationofmultiplefreedomdegreesisanodusofrobottechnology.Aimingatthedemeritthattraditionalcontrollersareonlyapplicableforcontrollingasmallnumberofmotors,whichimpedesjointcoordination,thispaperproposesano

4、velDigitalSignalProcessor(DSP)-basedmotorcontrolsystem.TheintegrationofDSPcontroller,motorcontrolintegratedcircuitandquadraturedecoderunitunleashesmovingcontrolpotentialofDSP,andrealizesreal-timecontrolamongmultiplejoints.Experimentalresultsdemonstratethatthesystemcanprovidesat

5、isfactorycontrolprecision.【Keywords】humanoidrobot;DigitalSignalProcessor(DSP);motorcontrol;quadraturedecoding1概述仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。小型仿人机器人的机构与运动控制系统设计对尺寸、重量、控制、协调、实时性等方面的要求很高,其相关研究一直是该领域的热点之一。目前,仿人机器人多采用分布式控制系统,例如,本田公司的双足步行机器人ASIMO采用4个处理器的智能系统,控制计算机分别放在相应的腿臂关节上,以控制

6、关节运动,上位机只负责完成整体控制规划。清华大学的THBIP-I机器人的分布式控制单元分为顶层和底层控制,顶层控制由2个PC104嵌入式计算机分别负责机器人的上肢和下肢控制,底层[1]由11个PID伺服控制单元组成。现有控制系统存在以下不足:(1)系统移植性差,控制系统大多是开发者基于各自独立图1机器人运动控制系统整体结构的结构,采用专用计算机、机器人语言、操作系统和微处理协同运动处理模块用于产生机器人关节运动序列。数据器开发的,限制了系统开放性;(2)体积和重量大,系统通常通信模块负责信息传输。四肢运动控制模块负责底层关节控采用成品化的电机控制器和

7、驱动器,控制电机的数目有限,制,模块内包括电机控制器、电动驱动器、电机及若干传感导致占用空间大、体积臃肿,该矛盾在小型仿人机器人上尤器。运动模块接收到顶层控制指令后,产生PWM信号以驱为突出;(3)难于实现关节间耦合,由于机器人关节间存在强动关节电机;同时采集编码器和传感器信息,上传至协同运耦合关系,需要多电机协调运动,即必须依赖控制器间的大动处理模块,以实现关节轨迹在线调整。量通信,因此增加了系统连线复杂度,降低了可靠性和通信一个完善的控制系统应满足:(1)控制较多的关节自由带宽,且增加了控制环节的延时。度,并具有一定通用性;(2)结构紧凑,硬件数

8、量和连线少,本文提出的仿人机器人电机控制系统具有以下优点:(1)单个控制器控制的关节自由度数量较大,控制系统

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1、第35卷第24期计算机工程2009年12月Vol.35No.24ComputerEngineeringDecember2009·开发研究与设计技术·文章编号:1000—3428(2009)24—0247—03文献标识码:A中图分类号:TP242小型仿人机器人电机控制系统的设计与实现张怡,刘成刚,邢登鹏(上海交通大学自动化系,上海200240)摘要:设计小型仿人机器人的电机控制系统,以实现多自由度运动控制和协调是机器人技术中的一个难点。针对传统控制器控制的电机数量少、难于实现关节协调的缺点,提出一种基于数字信号处理器(DSP)的新型电机控制系统。通过整

2、合DSP、电机控制集成电路和正交解码单元,发挥DSP的运动控制能力,实现对多路不同类型电机的实时控制。该系统可以获得符合要求的转角控制精度。关键词:仿人机器人;数字信号处理器;电机控制;正交解码DesignandImplementationofMotorControlSystemforSmallHumanoidRobotZHANGYi,LIUCheng-gang,XINGDeng-peng(DepartmentofAutomation,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240)【Abstract】Thedes

3、ignofmotorcontrolsystemforsmallhumanoidrobotstorealizemotioncontrolandcoordinationofmultiplefreedomdegreesisanodusofrobottechnology.Aimingatthedemeritthattraditionalcontrollersareonlyapplicableforcontrollingasmallnumberofmotors,whichimpedesjointcoordination,thispaperproposesano

4、velDigitalSignalProcessor(DSP)-basedmotorcontrolsystem.TheintegrationofDSPcontroller,motorcontrolintegratedcircuitandquadraturedecoderunitunleashesmovingcontrolpotentialofDSP,andrealizesreal-timecontrolamongmultiplejoints.Experimentalresultsdemonstratethatthesystemcanprovidesat

5、isfactorycontrolprecision.【Keywords】humanoidrobot;DigitalSignalProcessor(DSP);motorcontrol;quadraturedecoding1概述仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。小型仿人机器人的机构与运动控制系统设计对尺寸、重量、控制、协调、实时性等方面的要求很高,其相关研究一直是该领域的热点之一。目前,仿人机器人多采用分布式控制系统,例如,本田公司的双足步行机器人ASIMO采用4个处理器的智能系统,控制计算机分别放在相应的腿臂关节上,以控制

6、关节运动,上位机只负责完成整体控制规划。清华大学的THBIP-I机器人的分布式控制单元分为顶层和底层控制,顶层控制由2个PC104嵌入式计算机分别负责机器人的上肢和下肢控制,底层[1]由11个PID伺服控制单元组成。现有控制系统存在以下不足:(1)系统移植性差,控制系统大多是开发者基于各自独立图1机器人运动控制系统整体结构的结构,采用专用计算机、机器人语言、操作系统和微处理协同运动处理模块用于产生机器人关节运动序列。数据器开发的,限制了系统开放性;(2)体积和重量大,系统通常通信模块负责信息传输。四肢运动控制模块负责底层关节控采用成品化的电机控制器和

7、驱动器,控制电机的数目有限,制,模块内包括电机控制器、电动驱动器、电机及若干传感导致占用空间大、体积臃肿,该矛盾在小型仿人机器人上尤器。运动模块接收到顶层控制指令后,产生PWM信号以驱为突出;(3)难于实现关节间耦合,由于机器人关节间存在强动关节电机;同时采集编码器和传感器信息,上传至协同运耦合关系,需要多电机协调运动,即必须依赖控制器间的大动处理模块,以实现关节轨迹在线调整。量通信,因此增加了系统连线复杂度,降低了可靠性和通信一个完善的控制系统应满足:(1)控制较多的关节自由带宽,且增加了控制环节的延时。度,并具有一定通用性;(2)结构紧凑,硬件数

8、量和连线少,本文提出的仿人机器人电机控制系统具有以下优点:(1)单个控制器控制的关节自由度数量较大,控制系统

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