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开放式教学机器人控制系统研究


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工学硕士学位论文

开放式教学机器人 控制系统研究

硕士研究生: 指导教师 学位级别 学科、专业: 所在单位 论文提交日期: 论文答辩日期: 学位授予单位:
: : :

闰志超 王立权教授
工学硕士

机械电子工程 机电工程学院 2007年2月 2007年3月 哈尔滨工程大学

哈尔滨工程大学硕士学位论文

摘要
串联型关节式机器人已广泛应用于工业自动化领域,但绝大部分机器人 系统并不具备开放性。本文旨在设计一套基于Pc平台、有较强开放性和通用 性、六自由度微型串联型关节式机器人,以满足该学科教学需要,并且为实 验室对机器人技术的继续深入研究提供平台。 论文首先介绍了工业机器人的国内外的发展概况,阐述了国内教学用机 器人的研究和发展情况。结合本课题的实际要求,确定机器人的方案及研究 内容。 设计了一种减速机构内置式的机器人关节结构,以实现机器人的外形美 观、关节体积小、机械精度高等要求;应用有限元软件对机械系统中关键部 件进行结构静力分析及模态分析,验证了其设计的可靠、合理。在此基础上, 应用齐次坐标变换的方法对机器人的正、逆运动学进行了分析,为机器人控 制和轨迹规划奠定了基础。 通过对机器人控制系统结构的深入研究,并基于开放式的设计理念,确 定其整体控制方案,系统采用二级分布式控制结构。 以专用运动控制芯片LM629为核心,设计了一套硬件简洁、且能实现高 精度位置控制的机器人单关节控制系统,实验表明其对关节控制效果理想。 最后,为满足系统上位机与各关节之间通讯的高可靠性和实时性的要求, 本文对基于CAN总线标准的通讯系统做了深入研究,结合机器入系统的特点, 完成c黼节点接口的硬件和软件设计。

关键词:机器人;开放式结构;控制系统;位置控制;CAN总线

哈尔滨工程大学硕士学位论文

Abstract
Series

joInt

robots have been widely used in the felid of the

industrial
a set

automatization,but most

robots

are

not open.This

paper has designed

of
on

preferably open and universal series

joint mini-robot with 6-DOK which
and
supporting


bases

PC mostly

for fulfilling the teaching

basement for the lab's deep


studying the technology ofrobots.

The international

and domestic development of industrial robot is introduced.

The dcnnestic research and development ofteaching robot is scheme of the robot and researching contents working and demand
ale

expounded.Then,the

proposed,basing on contents of

of the robot. of joint robot is designed∞that it achieves
the

A new structural type goal of beautiful robot static

design

appearance,small cubage,more mechanical of
the key

precision.The

and modal

analysis the

mechanical

part is shnulated by ANSYS,

consequenfl弘validated

design.According

to degrees of

6℃cd蛐distribution

and mechanism of the robot,the forward and

inverse kinematic equation are

obtained,which are the theoretic base of robot control and
Through the study

trajectory planning.

of the structure of control

system used in robot,at the end, adopted。 control system took professional that the

2-class distributed and

opening control strucRl:re is
a set

The

paper

has

designed

of joint

seivo

with compact control chip-
effect Was

circuit and mole precision

position control,which
the

LM629 as core.Through
perfect.

experiment,it indicated

control

1astly,to satisfy the system more reliability and quickly,this paper made

more research of communication.system based
designing

on

CAN bus

and completed

the

of hardware and SOftware jeint robot with

in the

joint

of CAN nodes according to the

character of series

6 DOE open architecture:

Keywords:series

joint robot;

control system;

position

control:CAN bus

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明

本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导 下,由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文
献的引用已在文中指出,并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个

人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。

作者(签字):盥
日期:山7年弓月/2.日

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第1章绪论
1.1课题的来源、目的和意义
机器人是现代一种典型的光机电一体化产品,机器人学也是当今世界极 为活跃的研究领域之一,它涉及计算机科学、机械学、电子学、自动控制、 人工智能等多个学科…。随着现代科学技术的迅速发展,尤其是近20多年来, 机器人技术得到广泛应用。目前已经在全世界装备有一百多万台各种机器人, 涉及到汽车、家电、宇航、服务以及其他特种行业“。。 为了适应我国该领域相关行业的发展需求,培养机器人的设计、开发、 生产等方面的人才,很多高等院校已经开设有机器人学课程。但有关该课程 的实践教学手段并不成熟,有些单位购买国外较成熟的工业产品用于实践教 学,并不具备开放性,学生无法深入了解其内部构造及信息流的控制过程…。 针对开放式教学的特点,我们设计一套基于Pc平台可采用高级语言编写 模块化控制软件、具有较高通用性、开放性、关节型结构、六自由度微型机 器人教学平台。该平台可完成示教与再现、自动正运动学、自动逆运动学、 路径规划、位置控制、误差补偿等实验”。。 课题来源于哈尔滨工程大学工程训练中心。

1.2国内外机器人相关技术的发展概况

1.2.1机器人的发展史及国外其技术的发展概况
世界上第一台机器人于1954年诞生于美国,虽然它是一台实验的样机, 然而它体现了现代工业广泛应用的机器人的主要特征。机器人产品问世于20 世纪60年代,代表性的有美国Unimation公司的Unimate机器人和美国AMF 公司的Versatran机器人。Unimate机器人是球坐标机器人,由5个关节串 联的液压驱动的机器人,Versatran机器人主要用于机器之间的物料运输。 一般认为Versatran和Unimate机器人是世界上最早的工业机器人。

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美国机器人从诞生起,在相当长的一段时期内,主要停留在大学和研究 所的实验室里,没有形成生产能力且应用较少。直到20世纪70年代中期, 鉴于机器人技术发展、经济潜力和日本在工业机器人所取得的成就,美国才 意识到问题的紧迫性并多方面采取措施。 日本在上个世纪六十年代末才首次从美国引进机器人,并对其进行技术 改进,增加了视觉功能,使其成为一种具有智能的机器人。由于日本产业界 和政府的高度重视及大力扶持,日本的工业机器人迅速走出了从实验应用到 成熟产品大量应用的阶段,得以大量生产和应用。20世纪70年代是日本机 器人的迅速发展时期,日本在机器人的产品开发和应用两个方面超过美国, 成为当今世界第一的“机器人王国”。 20世纪70年代,机器人进入工业生产的实用化时代。到80年代,工业 机器人进入普及时代,汽车、电子等行业开始大量使用工业机器人,推动了 机器人产业的发展。机器人的研究开发,无论就水平和规模而言都得到了迅 速发展,高性能的机器人所占比例不断增加。 在这期间具有一定影响意义的产品有:1979年Unimation公司推出了 PUMA系列工业机器人,他是一种全电动驱动、关节式结构、多CPU二级微机 控制、可配置视觉、触觉和力觉传感器的技术较为先进的机器人;1979年日 本山梨大学研制出具有平面关节的SCARA型机器人;1985年前后,FANUC和 G婶公司又先后推出交流伺服驱动的工业机器人产品。 近二十几年来,欧洲的德国、意大利、法国和英国的机器人发展比较快。 目前,世界上无论是从技术水平上,还是从已装备的数量上,优势集中在以
日美为代表的少数几个发达的工业化国家”’.

总的说来,工业机器人的发展分为三个阶段:第一代机器人就是目前工 业中大量使用的“示教再现”工业机器人,主要由夹持臂、手臂、驱动器和 控制器组成,示教内容为工业机器人操作机构的空间轨迹、作业条件、作业 顺序等,广泛应用于上下料、焊接、喷涂和搬运。第二代工业机器人是带感 觉的机器人,能获取作业环境、操作对象的简单信息,通过计算机处理和分 析,对外界信息进行反馈,采用白适应控制,从90年代进入实用阶段。第三 代工业机器人即智能机器人,是指具有适应性的机器人,能理解指示命令, 感知环境,识别对象,具有知识库和专家系统,在作业环境中能独立工作,


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目前还处于实验阶段㈨。

1.2.2国内机器人技术及发展概况
我国的工业机器人起步于20世纪70年代初,大致可分为3个阶段:70 年代的萌发期,80年代的开发期,90年代的实用化期。 我国于1972年开始研制工业机器人,数十家研究单位和院校分别开发了 固定程序、组合式、液压伺服型通用机器人,并开始了机构学、计算机控制 和应用技术的研究。80年代,机器人技术的发展得到了政府的重视和支持, 机器人步入了跨越式发展时期。1986年开展了“七五”机器人攻关计划,1987 年,“863”高科技计划将机器人及应用的研究开发列入其中。在完成了示教 再现式工业及其成套设备的开发后,我国研制出了喷涂、弧焊、点焊和搬运 等作业机器人整机,其性能指标已达到20世纪80年代初国外同等产品的水 平。为了跟踪国外高技术,在国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开 发,进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉、高性 能传感器及新材料等的应用研究。20世纪90年代,由于市场竞争加剧,一 些企业认识到必须用机器人等自动化设备来改造传统产业。在喷涂机器人, 焊接机器人,搬运机器人,装配机器人,矿山作业等特种工业机器人技术和 系统应用的成套设备技术继续开发和完善,进一步开拓市场,扩大应用领域, 从汽车制造业逐步扩展到其他制造业并渗透到非制造业领域…。

1.2.3国内教学机器人的发展概况
为适应我国机器人领域的人才需求,国内很多高等院校都开设机器人技 术课程。但目前工业机器人的价格昂贵,难以在教学中普及。即使装配有机 器人的院校很多都是购买自国外成熟的工业机器人,该机器人一般不具备开 放性,因此教学效果并不理想。一种模拟工业机器人系统面向教学研究的教 学机器人应运而生。 教学机器人的目的就是为了满足大中专院校学生的机器人教学课程的实 验教学。它是在工业机器人功能要求的基础上,针对教学目的进行专门的设 计,强化了人机交流功能和可视性。这种机器人可以通过工业标准的ISA、

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PCI接口与Pc实现通讯,共同组成复杂的加工装配控制系统,也可以自成体 系,通过三维(--维)空间上的某一点进行作业.在机器人运动学、动力学、 机械原理、机械设计直观教学、机电设备控制原理和控制方法研究、模拟工 厂实际设备运行等方面有着广泛应用““”. 近年来,国内许多高校都自行开发了不同型号的教学机器人,并已投入 使用.如哈尔滨工业大学、西安交通大学、北京科技大学等都相继开发出不 同功能、结构形式的教学机器人.除此以外,许多科研单位,企业与高校合 作,联合开发教学机器人. 国内科研院所中,哈尔滨工业大学机器人研究所研制的教学机器人已成 一定规模,机器人产品种类较多。如图1.1所示,四自由度SCARA型机器人. 该机器人有助于机器人技术课程教学 实践课的开展,让学生对机器人的机 械系统、控制系统有更好的了解,同 时可完成示教编程与再现、机器人正 运动学、逆运动学分析、轨迹规划、 PTP(和CP)运动控制以及搬运、装配 等实验. 图1.1四自由度SCARA型机器人

四自由度串联型关节式机器人(图1.2),五自由度串联关节式机器人(图 1.3).串联型关节机器人为典型的传统工业机器人,在自动搬运、装配、焊 接、喷涂等工业现场有着最广泛的应用.并且其结构紧凑,工作范围大,具 有高度的灵活性.

图1.2四自由度串联型机器人


图1.3五自由度串联型机器人

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六自由度串联型关节式机器人(图1.4)。通常情况下,为实现机器人末 端执行器在三维空间中任意位姿,需要具有六个自由度。并且由于关节型串 联式固有的结构优点,决定该类教学机器人具有一定的典型性,一般能完成 教学所需的所有实验,因此国内很多高校都自主研发六自由度串联型关节教 学机器人(本课题机器人本体也是该种结构型式).该机器人通过模拟自动 化生产工艺流程,使学习者达到熟悉机器人自动化成产及控制过程,从而全 面提高专业设计水平、生产实践能力.

图1.4

六自由度串联型关节式机器人

六自由度并联型机器人(图1.5)。并联机器人作为一种新型的机器人型 式得到了越来越多的应用,与串联机器人相比该型机器人具有结构简单、刚 度大、承载能力强、误差小等特点,与串联机器人形成了良好的互补关系. 可用于六自由度数控加工中心、航天器对接机构、汽车装配线、运动模拟器、 岩土挖掘工程等。 此外国内比较知名的还有北京机械工业自动化研究所自行研制开发的6 自由度串联教学机器人(图1.6)。该研究所在工业机器人与智能机器人基础 上,结合工科院校专业的教学重点,自行研制开发各种教学机器人.

图1.5六自由度并联型机器人


图1.6六自由度串联教学机器人

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上鑫科技实业公司与上海交通大学机器人研究所针对大专院校机器人课 程教学实验的特点合作研制的一种普及型机器人(图1.7).采用五个自由度 垂直关节型设计,步进电机驱动,上位计算机示教编程,同时设计者结合了 多年在工业机器人研究,开发及应用经验,使其在编程操作上相似于工业机 器人的风格,在二次开发上,比一般的工业机器人更具开放性.

图1.7五自由度垂直关节型机器人 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现,并给用户带来显著效益。 随着我国工业企业自动化水平的不断提高,机器人自动化生产线的市场也会 越来越大,并且逐渐成为自动化生产线的主要方式.目前我国机器人自动化 生产线装备的市场刚刚起步,这就给机器人自动化研究的开发者带来巨大商 机。而事实情况国内的机器人技术相关人才仍然很缺乏,针对我校的具体情 况,有必要自主研发一台教学机器人,满足学生的机器人课程实践及相关实 验的要求,同时对于多数停留在理论层次上的研究、而没有一个较好通用性 研究实验平台的机器人技术方向的实验室来说,自主研发一套教学机器人就 更加迫在眉睫“”.,

1.3本文的研究内容及主要工作
本论文“教学机器人的结构与下层控制系统研究”是要研制一套6自由 度串联型关节式的教学机器人实验平台,论文的主要内容如下: 第一章阐述课题的研究背景意义及来源,综述国内外机器人相关领域 的发展及研究概况,并提出主要研究内容. 第二章介绍本机器人的整体结构和关节型式,针对关键部件进行了有 限元分析,并对该机器人运动学正、逆运动学进行分析。



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第三章基于开放式的设计理念,提出了机器人整体控制方案,包括机器 人关节控制系统及CAN总线的通讯系统的方案。 第四章对机器人单关节下层控制系统的硬件电路及软件进行了详细描 述,并对控制算法进行了改进。 第五章完整阐述了本教学机器人的基于CAN总线通信系统的设计与实 现,为整个机器人系统的实时性和可靠性提供保证。 第六章搭建了单关节位置控制实验平台,通过实验数据分析表明设计 的关节控制系统控制效果理想。



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第2章教学机器人的结构及运动学分析
2。1机械本体分析
2.1.1教学机器人本体
机器人本体的结构设计不同于一般的机械设计.机器人是典型的机电一 体化产品,在进行结构设计时必须要考虑驱动、控制等方面的问题,这和一 般的机械产品设计是不同的.此外与一般机械产品相比,机器人的机械设计 在结构的紧凑性、灵巧性方面有更高的要求“”.


从机构学的角度来看,串联机器人的结构是由一系列连杆通过旋转关节 连接起来的开式运动链。开链结构使得机器人的运动学分析和静力分析变得 复杂,两相邻杆件坐标系之间的位姿关系、末端执行器的位姿与各关节变量 之间的关系、末端执行器的受力和各关节驱动力矩之间的关系是动力分析的 内容.在手臂开链结构中,每个关节的运动受到其它关节运动的影响,作用 在每个关节上的重力负载和惯性负载随手臂位姿变化而变化。因此,机器人 是一个多输入多输出、非线性、强耦合、位置时变的动力学系统,动力学分 析十分复杂““. 本教学机器人的结构型式采用串联式、转动关节.因目的主要是面向机 器人课程的教学和实验室机器人技术的研究.要求工作范围比较大,动作灵 活,通用性强,结构紧凑,末端执行器能抓取物体.为能使末端执行器涵盖 靠近基座整个空间确定自由度数目为6个,采用垂直型串联关节型结构形式

使得机器人结构紧凑.最大活动半径≥650m(不含末端执行器),本体重量
≤16kg.

各关节回转范围见表2-1. 表2-1机器人各关节转角范围
关节号 转角范围
(。)
1 一180_ 2 3 4 5 -135- +135 6 -180-

—90_
+135

-180-
+180

-180_
+180

+180

+180



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鉴于以上要求,并且参考国内外的串联工业机器人结构型式.最后设计 完成机器人本体见图2.I所示(图中PROE建模没有末端执行器)。

图2.1机器人PROE模型图 机器人的常见的驱动方式主要有步进电机驱动、直流伺服驱动、交流伺 服电机和液压伺服马达驱动四种。直流力矩电机是属于直流电机范畴,可理 解为把伺服电机和驱动电机结合在一起的一种电机,其输出力矩与转速呈线 性关系,输出可以直接驱动负载而不需要减速增扭,而且没有直流伺服电机 低速爬行的现象。采用直流力矩电机构成的伺服系统具有相应速度快、运转 精度高、机械特性和调速线性好、调速范围大而且其控制技术成熟等优点. 因此直流力矩电机被广泛应用于高精度位置和速度控制系统中““. 本教学机器人六个关节驱动中前五个关节均选用直流力矩电机.


为使机器人的关节结构紧凑并且满足精度要求,选择直流力矩电机加谐 波减速器的传动方式.谐波齿轮传动是利用行星轮系传动的原理发展起来的 一种新型传动,其构件只有三个:波发生器、柔轮、钢轮。谐波齿轮传动较 一般的齿轮传动具有很多有点:结构简单、体积小、重量轻,传动比大、承 载能力强,运动精度高,同轴性好、容易实现差动传动等诸多优点。前五个 关节结构型式类似,采用力矩电机和谐波齿轮减速器组合的方式实现机器人 各关节的转动“”。 前五个关节直流力矩电机和谐波齿轮减速器分别为北京勇光高精特电机 有限公司和北京谐波传动技术研究所生产。第六关节电机与减速器选用瑞典 的MAXON公司产品.电机和减速器的型号及参数见表2—2所示。


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表2—2电机和减速器型号和参数
关节号 电机型号 第一关节
55LY54 O.1274Nm

第二关节
55LYX04
0.28Nm

第三关节
45LYX04

第四关节
36LYX04

第五关节
36LYX04

第六关节

电机参数

12.18■

16.83W

0.13№ 13.1册
2200r/m
1.65A

O.0294Nm 3.89W 3300r/m I.65A )m1—32—8 O i=80 T=6.5p岫

O.0294Nm 3.89W

A州ax22 O.0154№
6■

1500r/m
O.87A

1500r/s
1.87A

3300r/m
I.65A XB3—2— 25-298 i=298 T=2Nm

9240r/m
1.08A

减速器型 号 减速器参 数

XBl-50- 125一Ⅱ i=125
T=33nh

Ⅺ强—2—

Ⅺ;3—2— 40一385 i=385
T=15Nm

50—410

GP22C

i=410

i=128 T=I.3Nm

T=40№

机器人的结构设计应用Pro/E和AutoCAD软件完成。运动Pro/E建立机 器人机械结构本体的三维虚拟样机模型,这样其本体结构能在计算机上直观 的体现出来,并且能够对模型中零件之间的间隙和干涉进行检查、轻松获得 本体的质量等信息,能把错误消灭在设计阶段,缩短设计周期,节省设计经 费。此外,由于机器人有一定的精度要求,对其机械系统的关键承载部件进 行力学分析和校核,其三维建模过程必不可少。 因机器人关节结构型式类似,现以第四关节结构图为例简单介绍其结构 型式,如图2.2、2.3所示。

图2.2第四关节分解模型图
1.电机罩2.编码器3.电机4.关节壳体5.联轴器6.谐波齿轮减速器
7.轴承支架8.轴承9.关节连接法兰10.孔用弹簧卡盈11.轴承套

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图2.3第四关节剖面图

为了尽可能的减小关节结构的尺寸,选用的电机和减速器标准件都经过 非标改造,以适应本机器人关节的特定结构型式。图中所示关节的谐波齿轮 减速器的三个构件中,钢轮固定,柔轮输入,波发生器输出,从而实现差动. 直流力矩电机与关节壳体、谐波齿轮减速的钢轮通过螺栓固连;直流力矩电 机的输出经联轴器与谐波齿轮减速器的波发生器相连;关节转动的实现是通 过柔轮输出端与之固连的连接法兰完成的。关节的转动部件是两组深沟球轴 承,轴承支架与连接法兰通过螺栓连接,轴承之间的定位由轴承支架、轴承 套和孔用弹簧卡圈配合完成。 因为本机器人关节的控制系统是典型的小闭环控制(位置控制),整个机 构系统的精度取决于机械装置的精度,即减速器等部件传动的精度.而采用 本结构型式设计(尤其是精度较高的谐波齿轮减速器的采用),可以有效保证 机械传动的精度,从而保证整个系统的精度。直流力矩电机的尾端输出轴连 接增量式光电编码器,采集电机信息,协助控制系统对其控制的实现。

2.1.2机器人关键部件的有限元分析
有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方

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法,是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统,该系统由节 点及单元组合而成,以取代原有的工程系统。有限元系统可以转化成一个数 学模式,并根据数学模式进而得到该有限元系统的解答,并通过节点、单元 表现出来.完整有限元模型除了节点、单元外还包含工程系统本身所具有的 边界条件、约束条件,外力负载等“”. 用有限元方法分析刚度和强度是现代设计的必要手段。现代有限元软件 的前处理、分析计算和后处理达到了一体化,这都使有限元软件成为设计人 员不可缺少的工具。在常用的有限元软件中,美国的ANSYS公司开发的ANSYS 软件是最为通用有效的。ANSYS软件功能强大,主要功能包括建立模型、结 构分析、非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、接触分析、压电分析、 结构优化“”. 有限元分析的一般流程如图2.4所示。

图2.4有限元分析工程一般流程 机器人机械部件的分析主要是指结构分析和结构优化。结构分析包括静 力学分析、模态分析;模态是机械结构的固有振动特性,每一个模态具有特

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定的固有频率、模态质量、模态刚度、模态阻尼和模态振型。模态分析一般 适用于确定设计中的结构或机械部件的振动特性。结构的模态分析就是寻求 结构的动力特性,而动力特性可用固有频率、固有振型和阻尼来确定。结构 优化是对零部件的结构尺寸、重量进行改进和优化…’…。 针对本机器人的结构特点,第四关节的柔轮连接法兰在整个机器人机械 系统中起着承上启下的作用:向上连接第5.6关节,向下连接3.4关节,其 变形及受力情况将直接影响整个系统的精度。又由于本设计采用固定在其上 的双悬臂机器人关节臂的型式,故有必要对其进行分析,并有针对性的进行

优化设计.
由于本设计全部采用PROE三维实体建模,所以有限元分析的模型可以直 接从PROE导入.该零件材料选用2A12 T业硬铝,其密度为28∞磁/m3,弹 性模量为7.1E10尸4,泊松比为0.3l,有限元单元类型选择SOLID92,其为 10节点四面体结构,通常无需设置实常数“”. 定义材料属性后,采用智能网格划分法对其划分网格,并对模型局部进 行细化,划分网格后如图2.5所示。

图2.5连接法兰网格图

由于机器人结构特点,其受力较小,主要承载由第5、6关节的重力,连 接第4、5关节的臂板以及末端执行器(手爪)抓取重物的重力而产生的扭矩。

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法兰由四个螺钉连接壁板,刚性较好,所以模型所受力矩可简化为施加在两 ‘个突起的肋板实体上。 本分析针对两种特定情况进行:一种是法兰两个肋板竖直垂直于地面, 即第五关节轴线平行于地面的情况;另一种情况是两个肋板平行于地面,即 第五关节轴线垂直于地面的情况.给出两种情况的变形示意图及其对应的方 向位移等值线图见图2.6、2.7所示.

图2.6第一种情况变形示意图及x向位移等值线图

图2.7第二种情况变形示意图及X向位移等值线图 从ANSYS分析的结果可以看出,两种情况的变形量都比较小,可以保证 其机器人末端的位置精度。因为法兰受力较小,并且由于篇幅的限制,所以 本分析并未给出其受力云图。 机械本体在运动过程中,在负载及关节重力作用下的弯曲变形在三维坐 标系中的各个方向都存在一个最低阶振动频率和振型,由于工作过程中(尤
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其是几轴联动过程中)存在复合摆动,这样必然导致在各个方向上的低阶固 有频率的不同,为进一步验证机械系统的设计合理性,有必要对关键部件进 行模态分析,得到其振动特性.—个实际结构的振动,除随机振动外,一般 由不同频率的简谐波组合而成,且主要是由前几阶或十几阶低频谐振波组成, 高频谐振波所占的成分很小,因为高频谐振波受阻尼影响较大,大都较快衰 减,对整体响应贡献较大的是低阶模态,因此只求出前十五阶固有频率和固 有振型““。。 15阶模态中对应15个模态图,为了方便描述,仅取对整个机械系统影 响最大的模态图。找出关键频率点。法兰的典型模态频率值见表2-3所示。 表2—3法兰典型模态

上表中对应的模态图如图2.8~2.13所示.

图2.8 f=3.284Hz模态图

图2.9 f=3.584Hz模态图

图中可以看出,法兰在第一模态(图2.8)、第五模态(图2.12),呈沿 着中心的扭转变形.在第二模态(图2.9)表现对称于中分面向内的弯曲变 形.在第三模态(图2.10)、第四模态(图2.11),第六模态(图2.13)法 兰的变形表现为向不同方向的弯曲变形。由于法兰的两个肋板分别连接关节 臂班,所以第一、二、五模态变形对机器人末端的位置精度影响不大,而第 三、四、六模态能对末端精度造成影响。因此在机器人作业过程中,尽量避 免在上述频率下工作。

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图2.10 f-7.022Hz模态图

图2.11 f=7.246ttz模态图

图2.12 f=11.784Hz模态图

图2.13 f=12.557Hz模态图

2.2教学机器人的运动学分析
本课题六自由度教学机器人属于关节式串联机器人,六个关节都是转动 关节。机器人运动研究的是其各连杆间的位移关系、速度关系、和加速度关 系.关节式串联机器人理论分析时应该简化成一个开放式运动链,有连杆和 转动关节串联构成….开链的一端固定在基座上,另一端安装有末端执行器 (本课题为一机械手爪),完成特定作业内容。关节的相对运动导致连杆的运 动,使末端执行器到达所需的位姿.为了研究操作臂各连杆之间的位移关系, 对其进行运动学的分析,通常采用D-H参数的方法,在每个连杆上固定一个 坐标系,用4x4的齐次变换矩阵描述两个杆件的空间关系(位置和姿态), 推导出机械人末端坐标系相对于参考系的等价齐次变换矩阵。1。

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2.2.1运动学正解分析
运动学正解是指在给定各杆的结构参数的情况下,根据各关节的运动量, 计算出机械手末端执行器的位置和姿态。 本教学机器人的结构总图及模型简图如图2.14,2.15所示.



结构图及简化模型图

图2.15机器人的连杆坐标系 本机器人具有六个转动关节,从下往上依次是第一至第六关节.其中前
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三个转动关节确定末端执行器的位置,而后三个转动关节确定执行器的姿态。 根据机器人各连杆的结构和尺寸关系,按下关节设置法建立坐标系如图2.2 所示。后三个关节的轴线相交于一点,该点作为连杆坐标系{4}、{5)、{6} 的原点。建立连杆坐标系见图2.15所示。 用D-H法建立关节坐标系,可以得到参数如表2.4所示(括号内为初始
位置参数)。 表2.4机器人齐次矩阵中的D-H参数
口f—I
a,一l

伊 (。) 鼠(0) 反(90)

dI m

关节变量范围 (。)
-180-+180 —90一+135
一18一+180 -180一+180 -135一+135 -180一+180

参数

(9)
O 90 0 90 -90 90




:r 扩 ≯


4(156)



q(126)

啦(220) 口3(80)
0 0

岛(o)
只(o)

正(202)
0 0

扩 :r

只(o) 眈(O)

又有两个相邻杆件坐标系的变换公式2-1㈨:
卜lf』m—Rot(x,ai—1)tram(x,q-1)Rot(z,O』)trans(z,硪)=
cos最 -sine,
cos



口』-I

sinO,cos%。l (2-1) sinO,sinai_1


6Icosq-l


—Sm倔一I
COS%一I O

一磷sina』-l 碣cos玛-1


cDsO,商1q-l

式中各参数代表含义:

口,。为连杆扭角,即从Zi-1到Zi绕Xi-I旋转的角度; a川为连杆长度,即从Zi-I到Zi沿Xi-I测量的距离;

只为两连杆夹角,即从Xi-l到xi绕zi旋转的角度;
西为两连杆距离,即从从Xi-I到xi沿zi测量的距离。
将表2.1中各参数代入公式2-I中,得:

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rcos岛

or—J

sing

一sing coW,


0 O l O

rcos岛

社一【。0
rcos岛
2T=sin03 3上 o

叫叫刊

O l O

黔i蓟墨 警警 【0
fc.os只
O d

O以O


钔引刊
吗峨o●

l 【0

司叫叫
O l

≯=协
【0
rcos纯

警警





弘k岛 。署。。警警 【0

f cos05

O o


O O l

O O

们J叫引__U

净k l




嗽。嗽o

O O

I以q



pJ



≯=7≯≯≯7≯2120 20 z0 21 J
J J

。。一。,

式中,疗表示末端操作器的法向矢量;0表示末端操作器的滑动矢量;口 表示末端操作器的接近矢量,这三个矢量构成了末端执行器的姿态矩阵;P 表示末端执行器的位置矢量。 其中: 以=((clc23c4+订J4)c5-cls23s5)c6+(?clc23s4+slc4p6
q =-((clc23c4+sls4)c5-cls23s5)s6+(-clc23s4+slc4)c6

=(clc23c4+J1s4)J5+cls23c5
=clc23a3+cls23d4+clc2a2+claJ

=((slc23c4-cls4)c5-sts23s5)c6+(?slc23s4?clc4)s6 =-((slc23c4-cls4)c5-sls23sS)s6+(-slc23s4-clc4)c6 =(slc23c4-cls4)s5+sls23c5

q以吩巳吩乃

=slc23a3+sls23d4+slc2a24-slal
19

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一.=(s23c4c5+c23s5)c6-s23s4s6 D.=-(s23c4c5+c23s5)s6一s23s4c6
m=s23c4s5.c23c5

阢=s23m+c23d4+s2m+dl

把各关节角的值代入到转化矩阵中,矩阵相乘就得到了末端的位姿矩阵.
这就是运动学正问题的矩阵变化法。

其中cl=cosOm,sl=sin01,以此类推
s23=c2s3+s2c3=COS02sin03+sin02COS03

c23=c2c3一s2s3=COS02cos03一sin02sin巩

将机器人初始位置参数代入2-2式,演算得该计算结果正确。

2.2.2运动学逆分析
运动学逆解是在给定满足某工作要求时的末端执行器的位置和姿态以及 各杆的结构参数的情况下,求解对应的各关节运动量。 机器人的运动学逆解问题在机器人控制中占有非常重要的地位。它是机
器人运动规划和轨迹控制的依据.

目前运动学反解的方法比较多,有封闭解法和数值解法两种.封闭法计 算速度快,效率高,便于实时控制。而且可以用多种方法获得封闭解;而数 值法存在一些问题,例如初始值选取得不准确会严重影响计算结果、有时有 解的情况计算结果却不收敛等。 得到封闭解有两个充分条件: (1)有三个相邻关节轴线相交于一点。 (2)有三个相邻关节轴线相互平行。 本教学机器人的后三个关节交与一点,满足第一个条件,因此能得到封 闭型式解。运动学反解分两步进行,首先先解出日,岛,只(腕部位置即三轴交 点),然后再解出只,岛,见(腕部姿态)。1。 综合机器人正解所述内容,该机器人方程可写为2-2所示(为计算方便, 令末端执行器的坐标系与第六关节坐标系重合):
(1)求解鼠、只、只

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将公式2-2的两边同乘≯。罗。7一,得

『‰q q见1

7。17。?。’I:z
L0


2 2 127芗≯
0 1

。。一。,



方程的左边矩阵为
.[c23clnx+c23slny+s23nz,c23clox+c23s2sloy+s230j,
c23claJ+c23slay+s23a:,c23flpx+c23slpy+s23p:。s23dl。c23a1’c3a2; -s23clnx-s23slny+c23n:,-s23cloj-s23sloy+c230z, .s23clax-s23sla,+c23az,一s23clpJ-s23slpy+c23p_=。c23dI+s23a1+s3a2;

sinx-clnr,¥1吩-cln,,sla,-day,J1见。cl以i
o o o

1】

(2—4)

c4c5c6.s4s6-c4c5s6.s4c6

c4s5




s5c6

-s5s6

I 硝名4 I
a3

l s4c5c6+c4s6-s4c5s6+c4c6
0 0

s4s5 0


0 1

I(2-5)


比较矩阵两边的(3,4)项,有:
slpx-cl,,=0

(2-6)

利用三角代换 A=pcos≯;Py=psin妒
上式中 得

p=以2+乃2:妒=atan2(py,见)
(2-7)

最=Atan2(py,见)或岛=Atan2(一Py,一见)

比较方程两边的(1,4),(2,4)项,有:

fc23clp,+c23slpy+s23p:。s23dl‘c23aj‘c3a2=口,

l-J23clp.-s23slpy+c23p.一c23dl+s23al+s3a2-.小
化简得:

(2-8)

fc23(clp,+slp,一q)+s23(见一面)=a3+a2c3

Is23(clp,+s1易一口1)一c23(p.一d1)=d4+a2s3
2l

(2-9)

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令m=clpx+slpy—q,刀=见-4,并方程两式同时平方相加,得:
a3c3+d4s3=k

其中

.i}:竺:±!:=箜2二丝2=丝2
2a2

得03=Atan2(d4,口3)±彳tan2(√霹+刃+七2,_|})(2-10)
由(2—9),令p=a3+a2c3,口=J4+呸D得

J,mc23+瑚23=p
【ms23一nc23=q(2-11) 进而得气=Atan2(np+mq,mp—w)
于是得到口:的四种可能解
口2=823--83

(2—12)

根据q和岛解的四种可能组合,由上式可以得到相应的四种可能值易,,
(2—13)

(2)已知q、岛、03,求只、岛,名
比较矩阵(1,3)、(2,3)和(3,3)项,有

Ic23claj+c23slay+s23az=c4s5
{-s23clax一52351ay+c23q 2吖5(2-14)
Ijlq—cla,=s4s5
当sina,≠0时,由(2—14)的方程1,3解得。

只=Atan2(sla,一fk,c23cla,+c23slay+s23a:)(2-15)
当sinO,=O时,机器人处于奇异形位,此时关节4和关节6重合。
当cosO,≠0时,



l苎竖竺华列
c4




岛=彳喇型坐竽,s23clq+s23sl哆-c23a:)
【s23cla,+s23s1%一c23a:=c5

(2—16)

(2-17)

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比较矩阵(2,1)、(2,2)项,有

I-s23cln,?s23slny+c23n==s5c6

【‘s23clo,。s23slo,+e230:=一s5s6
当sin05≠0,

(2—18)

幺=Atan2(s23clo,+s23sloy—c230。,一s23cln,?s23slny+c23n=)
(2—19)

至此,机器人运动学反解全部得出。 文中所有解得口值,均采用双变量反正切函数Atan2(令Atan2表示 axetan)型式来确定角度,这样能避免用反正弦、反余弦表达角度的局限(例 如反余弦角度符号的不确定等)嘲。 可以看出,机器人的反解存在多解性,具体采用哪个解要根据具体情况 判定取舍。

2.3本章小结
本章概括性的介绍了六自由度教学机器人的整体结构型式,针对某一具 体关节的结构进行了系统的描述,并对机械系统中的关键部件进行了静力学 分析和模态分析。对于本机器人的具体结构型式,建立了连杆系坐标方程, 完成运动学正解的计算及逆解的推导,为机器人的运动规划和轨迹控制的奠
定基础。

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第3章控制系统的总体方案设计
3.1机器人控制系统分类
工业教学机器人中应用最为广泛的是操作机器人(manipulation robots), 这种机器人能够模仿和再现人手的动作。操作机器人又分为自动操作式、生 物技术式和交互式三种。 本课题所设计的机器人应归为自动操作机器人,这类机器人控制系统又
可分为三种类型““:

(1)固定程序(或编程)控制:机器人能按照预编的固定程序,实现机 器人的运动。 (2)自适应控制:当外界条件变化时,为保证和改善控制质量,在机器 人的操作过程中根据其状态和伺服误差的观察,调整非线性的控制参数,从 而以最大限度减少控制误差。这种控制系统的结构和参数能随时间和条件自 动改变,能够在不完全确定和局部变化的环境中,保持与环境的自动适应, 实现对机器人的最佳控制。 (3)人工智能控制:事先无法编制运动程序,而是要求在机器人运动过 程中根据周围所获得的具体环境信息,实时确定控制策略。

3.2开放式控制系统
现阶段机器人的控制体系结构有两种主要形式例:一是像Motoman和ABB
等比较大的机器人制造厂商继续使用自己开发的专有控制系统,持有他们专 有的控制体系结构;二是开放式的通用控制体系结构(比如现在普遍采用的
基于Pc机的运动控制结构)。

开放式控制系统是一个动态发展的概念,不同的项目和组织对其定义也 有差异,但总结起来,开放式机器人控制器的思想应具备如下的一些特点: (1)使用基于非专用计算机平台(如SUN、Pc等)的开发系统: (2)使用标准的操作系统(如windows、Unix)和标准的控制语言(如
C、C++等);

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(3)硬件基于标准的总线结构,能够与各种外围设备和传感器接口; (4)能使用网络策略,允许工作单元控制器共享数据库,允许远程操 作。 基于以上思想构造的控制系统具有良好的互换性和可移植性,用户可以 实现对控制器的修改、更换和改进;控制系统具有模块化特点,这能够降低 开发成本,并提高系统的质量和安全性能;支持扩展功能等诸多优点。开放 式的控制系统是机器人控制的一个重要发展方向….

3.3机器人控制系统结构
计算机控制系统是机器人的核心部分,决定着整个系统性能的优劣,也 同时决定着教学机器人使用的灵活程度。 机器人控制系统按控制方式可分为三种结构…:集中控制、主从控制和 分布式控制。 集中控制就是使用一台功能较强的计算机实现全部控制功能,在早期的

机器人中普遍采用这种结构.传统的机器人控制器采用删作为控制芯片,
其运算速度和处理能力难以满足日益复杂的机器人控制.随着机器人功能的 增加,其控制过程中也随之增加了许多计算(如坐标变换等),因此这种集中 式控制结构已经不能满足需要,取而代之的是主从式控制和分布式控制结构. 主从式控制系统见图3.1所示.

图3.1主从式控制系统结构 一级计算机(上位机)为主机,它担当系统管理、机器人语言编译和人 机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地 把运算结果作为关节运动的角度值送到公共内存,供二级计算机(下位机) 读取它.

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二级机完成全部关节位置数字控制,它从公共内存读给定值,也把各关 节实际位置送回公共内存中,供一级机使用。由于功能分散控制质量较集中 式控制明显提高。但是这类系统的两个微机总线之间基本没有联系,仅通过 公共内存交换数据,是一个松耦合关系,这对采用更多的微机进一步分散功 能是很困难的,随着产生的是更加先进的分布式控制结构。 现代机器人控制系统中大部分采用分布式结构,即上一级主控制计算机 负责整个系统管理以及坐标变换和轨迹、插补运算等;下一级由许多位处理 器组成,每一个微处理器控制一个关节运动,它们并行地完成控制任务。因 而能提高整个控制系统的工作速度和处理能力。这些微处理器和主控机联系 是通过总线形式的紧耦合。分布式结构是开放性的,可以根据需要增加更多 的处理器,以满足传感器处理和通信的需要。这种结构功能强、速度快,是 当今机器人控制系统的主流。

3.4本教学机器人基于PC的控制系统
考虑机器人的通用性,以及教学用机器人的实际特点,我们设计的这台 教学机器人具有全开放性,使学生不但可以直接观察各个关节转动的运行情 况,还可以嵌入自己设计的控制软件来验证算法的正确性和控制方式的有效 性。所以我们设计的该教学机器人实验平台的控制系统采用分布式控制结构 形式;针对教学机器人的实际特点,并从经济方面上的考虑并不需要配备视 觉等传感器,就能满足教学实验的要求,所以该教学机器人实验平台控制系 统属于固定程序控制。 实验平台的控制系统框架见图3.2示。此控制系统采用上位机(PC)与 单片机控制器进行两级控制。 选取通用PC为主控制器,因为通用PC具有成本低廉、PC技术成熟、 可靠性高、具有开放性等优点。开发人员可以选择合适的软件、硬件,以较 低的成本组成较强性能的系统,而且还方便进行二次开发。由于PC技术的 飞速发展和其产品良好的兼容性,完全可以满足任务规划层和协调层的功能
要求。


控制系统中上位机运行机器人控制主程序。该程序为采用高级语言

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(C年+)编写模块化的机器人控制系统。提供用户界面接口,完成作业任务 规划、运动学正解、运动学逆解和坐标变换等,按规划解算出机器人关节目 标轨迹,然后分配给单关节伺服控制模块,完成对教学机器人各个关节的控
制功能。

图3.2本教学机器人控制系统结构图 二级机(下位机)是以AT89S52单片机为主控制芯片,以性能优越的专 用运动控制芯片LM629为控制核心组成电路硬件结构简洁的伺服位置控制 系统.该运动控制芯片内部集成了数字式运动控制器的全部功能,使得设计 一个快速、准确的运动控制系统的变得容易。 机器人的分布式控制系统中,对通信方式的选择至关重要,上位计算机 和下位各关节控制器间的通信既要满足硬件连接简单,扩充方便,又要满足 通信的高可靠性和实时性。本设计采用CAN(Controller
Area

Network)总

线作为通信标准,CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通 讯网络,与一般的通信网络相比具有可靠性高、实时性和灵活性好的优点, 非常适合作为机器人控制系统中的通讯方式。各关节控制系统和上位Pc机之 间是各自独立的单元,各个单元之间基于CAN总线建立通讯网络,每个单元 作为网络的一个节点。

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3.5本章小结
本章通过对工业机器人控制系统型式做了简要介绍,针对教学机器人的 实际应用特点和性能要求,提出了本教学机器人实验平台的总体控制方案。 采用分布式二位机计算机控制形式,固定程序控制机器人运动,此外平台具 有较好的开放性。

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第4章单关节控制系统设计
4.1伺服系统的设计
由于采用分布式控制方式,每个关节的控制相对独立。下位机的控制实 质就是实现对每个关节的控制,其作为一个基础的单元,直接决定整个控制 系统性能的优劣。本机器人单关节控制引入专用运动控制芯片LM629,从而实 现伺服系统的电路结构简洁、性能优越、位置控制精度高等目的。
4.1.1

LM629处理器的功能和工作原理

LM629是National Semiconductor生产的一款专用运动控制器,在一个

芯片内集成了数字式运控制器的全部功能,使得设计一个快速、准确的运控制 系统的任务变得容易,它有如下特性…’…: (1)内部有32bit的位置、速度和加速度寄存器; (2)16bit可编程数字PID控制器;
(3)可编程微分项采样时间间隔;

(4)8bit分辨率的P删输出; (5)内部梯形速度图发生器: (6)可以进行位置和速度控制; (7)速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变;
(8)实时可编程中断;

(9)可对增量式光电码盘的输出进行4倍频处理; (10)可设置工作在速度或位置伺服两种状态。
LM629的芯片管脚如图4.1所示。。。

管脚1~3与增量式光电编码器相连(IN、A、B);4~11为数据端口 Do~D7;12~15分别为CS、RD、GND、WR;16脚为PS,PS=I时读写 数据,PS=0时读状态和指令;17是HI,HI=I时申请中断;18、19脚分别 是转向(PW裕)和输出(Pw姗);26~28分别是CLK、RST、Vm:其它管
29

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脚不用.
LM‘∞H

图4.1 I埘629引脚图

LM629的系统框图如图4.2所示。它通过I/o口与主处理器(AT89S52 单片机)实现通讯,可输入运动参数和控制参数,输出状态和信息.

图4.2 L惦29的系统框图

用一个增量式光电编码盘来反馈电动机的实际位置.来自增量式光电编 码盘的位置信号A、B经1j1629四倍频,使分辨率提高。A、B逻辑状态每变化 一次,LM629内的位置寄存器就会加(减)l。编码盘的A、B、z信号同时低电 平时,就产生一个Index信号送入Index寄存器,记录电动机的绝对位置. LM629的梯形速度图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。在位置控 制方式时,主处理器送来加速度、最高转速、最终位置数据,LM629利用这些

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数据计算运行轨迹。在电动机运行时,除了加速度,其余参数允许更改。 在速度控制方式时,电动机用规定的加速度加速到规定的速度,并一直保 持这一速度,直到新的速度指令执行。如果速度存在扰动,Ⅲ629可使其平均 速度恒定不变。LM629内部有一个数字PID控制器,用来控制闭环系统,数字 PID控制器采用增量式PID控制算法,所需的KP、KI、l【D系数由主处理器提 供‘“?矧.

4.1.2智能集成功放电路LMDl8245
功率集成电路(PZC)是20世纪80年代初出现的新型电子器件。通常是指 输出功率大于lW的集成电路,它是微电子技术和电力电子技术相结合的产 物。由功率器件和具有一定逻辑功能的电路组合在一个硅片或在同一个导热 的绝缘衬底上而成的,前者称为单片功率集成电路,后者称为混合功率放大电 路。单片功率集成放大电路分为两大类:高压功率集成放大电路(HvIC)和智能
功率集成电路(Smart
Power

IC)。高压功率集成电路横向高压器件(承受高压

的2个电极都从芯片的同一表面引出)与起控制作用的数字逻辑电路或模拟 电路单片集成。目前它的功率水平几乎达到25A、600V。智能功率集成电路 大多是纵向功率器件(管芯背面作为主电极,通常他是集电极或漏极)与逻辑 或模拟控制电路、传感器电路和保护电路的单片集成。目前它的功率水平为 13A、113V。它们所采用的功率器件有双极型器件(如晶体管、晶闸管)、单极 型器件(如场效应晶体管)或复合器件(如BIMOS),控制电路大部分采用MOS技
术[36]。

智能功率集成电路实现了集成电路功率化,功率器件的集成化和智能化。 使功率与信息控制统一在一个器件内,成为机电一体化系统中弱电与强电的 接口。它不但提供一定功率输出能力,而且具有逻辑、控制、传感、检测、保 护和自诊断等功能,从而将智能赋予功率器件。通过智能作用对功率器件状态 进行监控。例如:负载开路、电源短路、电源欠电压、过电压、过热等不正常 故障出现。电路既做出保护,又能输出故障诊断信号。大多数功率集成电路的 输入都是TTL电路或COMS电平兼容,可以直接由微处理器控制,状态信号也可 以反馈给微处理器。

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智能功率集成电路的使用给电机控制系统装置极大的方便。简化了开发 和调整工作,缩小了体积,减轻了重量,提高了可靠性和抗干扰能力,改善了性 能,而且也节约了成本。 智能功率集成电路可分为模拟型和开关型两大类。模拟型器件以功率运 算放大器集成电路为代表;开关型包括单开关的智能功率开关(Smart
Power

Switch)、图腾结构的半桥功率器件开关器件、H桥功率开关和三相逆变桥功 率开关等。由于集成电路具有分立元件无法比拟的优点,随着集成技术的发展 和成本的降低,目前使用相当普遍。 LMDl8245将BiCOM控制电路和DMOS功率器件集成在同一芯片上。为直流 电动机,步进电动机、速度控制、位置控制、速度伺服控制、机器人、绘图 机、计算机打印机等执行机构的控制电路。LMDl8245具有如下主要特点: (1)I-作电压可达55V, 电流在3A连续可调;

(2)每个功率开关管具有很低的R*一ON;
(3)内置箝位二极管;

(4)低损耗电流检测方式; (5)电机电流用数字或模拟控制; (6)TTL及CM0s输入兼容;
(7)在Tj=155℃时自动关断; (8)过流保护;

(9)消除浪涌电流; (10)采用15引脚T0-220封装。 LMDl8245内部电路结构图如图4.3所示。当D/A值小于(13脚)阀值时, 则输入开关S1,S2和输出开关s3,s4被控制,否则,单稳态触发器反转,输出开 关被关断。DA输出由M4~MI及DAC REF决定,H桥的固定关断时间由3脚外 接的RC网络决定。 计算公式为:z咿.m=1.IRC。当时间到达后,则S3,S4重新闭合。内部 设有4位D/A转换器,省去了外接PWM信号;同时,内部设置的电流检测放大 器输出一个电流信号,它与H桥输出电流有正比关系,采用1/4000的电流传感, 典型值为250/#^/A:在13脚与地间串接一个电阻,可得到电流检测电压信号,

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作为内部电流比较器的输入,它与DAC OUT比较,经单稳态得到PWM信号,对H 桥电路输出电流进行斩波控制;利用14脚输入DAC REF电压信号为D/A转换 基准电压,nAc伽T输出D/16模拟量电流指令信号,D为对应于输入二进制指 令的十进制数D=0~15.当需要更高的分辨率的微步距控制时,可从14脚外 接DA转换器。 oral恢OU挫



黜瞄
娜COMI。otrf aOUT柚M2M3蝌
图4.3 LMDl8245内部电路结构 其电流传感器电阻计算可根据下式进行算:

Rs-(VⅢcss,xD/16)/[(250x104)×正w】
其中:缸一为电机最大电流的设定值; pka吁为D/A转换器的参考电压; D为D/A转换器的输入值.

(4一1)

LMDl8245芯片的主要三种应用方式:单极性输出方式驱动直流电机;双 极性输出方式驱动直流电机;两片L肋18245驱动步进电机。针对本微型伺服 系统的实际特点,我们采用单极性输出方式驱动直流电机的方式.其工作电 路如图4.4所示. 在微控制器的控制下,电机的转速由P嘲点空比决定,转动方向由11 脚(DIREcTl0N)信号电平决定.该方式驱动直流电机,其电流波动小。该方 式电机的电流阀值固定不能改变∞瑚1.

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图4.4 L脚D18245单极性驱动直流电机电路图

4.1.3伺服系统硬件设计
利用1.14629可实现各种精确的位置和速度伺服控制,本课题以L1d629为 核心,附之于逻辑转换电路和功率驱动接口,构建一微型位置伺服系统,用 于该教学机器人关节控制. 如图4.5所示是该教学机器人单关节位置伺服系统的硬件结构图.

图4.5伺服系统电路硬件简图 采用AT89S52单片机对其进行控制.单片机的主要功能是向L11629传送 运动数据和PID数据,并通过LM629对电动机的运行进行监控。 L9629的I/0口DO-D7与单片机的Po口相连,用来从单片机传送数据和
34

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控制指令,从LM629传送电动机的状态和运动信息。单片机的P2.0与 LMDl8245芯片的BREAK相连,负责电机运转不正常情况下的紧急制动。单片 机的P2.7引脚与LM629的片选相连,作为选中L^1629的地址线”引脚P2.6与 L№29的PS相连,作为另一条地址线’当P2.6=0时,单片机可以向LM629写指 令,或从LM629读状态;当P2.6=1时,单片机可以向LM629写数据,或从LM629 读信息。LM629的中断引脚经一个非门与单片机的中断0相连。乙M629的6个 中断源都通过该引脚申请单片机中断,一旦有中断申请发生,单片机先通过读 LM629的状态字来辨别哪一个中断发生…’40J


4.2伺服系统的软件设计
伺服系统的硬件结构较为简单,其软件设计是以LM629为核心的伺服系 统实现的核心

4.2.1“忙”状态检测
“忙”状态的检测是软件设计的首要部分,贯穿于整个程序中。“忙”状 态位位于状态字节的最低位,在主处理器向LM629写命令或读写数据字后, “忙”状态位会立刻被置位。此时,L11629会忽略一切命令或数据传输,直至 信息被LM629所接受,“忙”状态位会复位,所以在每次写命令或读写数据前 必须检测此状态位,判断是否为“忙”状态。

4.2.2程序的初始化
每次上电工作前,都要对L№29进行初始化操作,判断LM629是否正常。 把RST引脚拉低至少8个时钟周期,LM629就会硬件复位。如果复位成功,状 态字节会在1.5ras内变成16进制的“84”或“C4”,否则,必须重新进行硬件 复位。为了验证复位状态,可向LM629写RSTI命令,如果复位正确,状态字节 会由“84”或“C4”变成“80”或“cO”,否则,必须重复上述两步““。针对
LM629还必须执行PRoT8命令。流程图见图4.6所示

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图4.6软件初始化流程图
4.2.3

PlD参数编程

PID参数的编程由LFIL命令引导,紧随其后的是两个字的控制字,来决 定微分项采样时间及改变哪个PID参数,控制字的具体定义参见LM629数据

手册,接着就按b、硒、l【D、h顺序传输参数值.该流程见表4-1(该表 为第一次系统联调时,避免系统振荡,b取lO,其它参数取O).
表4.1 PID控制器参数编程模块
端口 命令口 写入值
(hex)
1E

命令
LFIL

备注 该命令用于初始化1.M629中PID参数接 收缓冲区

“忙”状态检测 数据口 数据口
lIB

00 X8

这两个字节为调节器的控制字,高字节 00表示微分项采样周期为2048/fcuc.

LB

低字节】(8表示只改变KP值,其余参数
保持复位值0。

“忙”状态检测

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“忙”状态检测

该命令将接收缓冲区的参数值传给工
命令口
UDF 04

作寄存器,只有执行了改命令,所传参 数才能起作用。

“忙”状态检测

软件设计是实现位置伺服控制的关键,特别是控制算法的开发,它影响到 系统的最终控制性能。充分利用LH629的内部的梯形速度发生器和数字PID 调节器,能极大地简化该位置伺服控制模块的软件设计。其PID控制算法可表
示为:

.Il∞=Kee(k)+Ka窆eO')+lCm[e('k)一e(k-1)1(4-2)
J。口

其中

“倒一第k次采样时刻的输出值; P内一第k次采样时刻输入的偏差值; e(k."一第(k一1)次采样时刻输入的偏差值; 豇一比例系数; 蔚一积分系数; 肠一微分系数 为了改善控制性能,对此算法进行改进。采用积分分离PID控制算法吲。
普通的PID数字控制器中引入积分环节的目的,主要是为了消除静差、提

高精度。但在过程启动、结束和大幅度增减设定值时,短时间内系统输出有很 大的偏差,可能会造成PID运算积分累计,引起系统较大的超调,甚至引起系 统的振荡。因此有必要对数字PID控制过程进行改进,可采用积分分离PID 控制算法,既保持了积分作用,又减少了超调量,改善了控制性能。其实现过程
如下:

(1)根据实际情况,人为设定一阈值占>0。 (2)当Ie(k)l>F时,也即偏差值Ie(k)I比较大时,采用PD控制。可避免过 大的超调,又使系统有较快的响应;

(3)当le(k)1 s占时,也即偏差值ie(k)l比较小时,采用PID控制,可保证
37

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系统的控制精度;

写成计算公式,可在积分项乘一个系数卢,卢按下式取值:


f1


当Ie(k)I‘8
(4—3)

∥210当Ie(k)J>£
积分分离形式为: 进一步推导积分分离PID:

H@)=j&∞+陋Ze(.『)+肠p@)-P@?1)】(4-4)
当Ie(k)I>s时,取卢=o,进行PID控制,PD控制算法为

“@)-Ic-e(k)+肠№@)?e(k?1)】
PID控制算法,表示为公式(4-2)所示.


(4—5)

当Ie(k)l‘E时,取p=1,进行PID控制,PID控制的算法采用增量式

CON'I'INI甩


图4.7位置伺服控制软件流程图 融合了积分分离PID控制算法后,得到位置伺服控制软件流程图,如图
4.7所示。

38

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4.2.4轨迹参数编辑
位置控制时,LM629要求主处理器提供轨迹参数:加速度、速度和位置值, 并且这些参数必须转化为L9629所要求的形式.编码器为1000线,假如电机 运动参数要求为:加速度为0.Ir/s2,最大速度为0.2r/s,电机完成两圈转 动.其轨迹曲线如图4.8所示。

图4.8轨迹曲线

LM629所要求的各参数计算过程如下嘲:
(1)编码器信号处理结果

由于LM629对其进行了4倍频,所以编码器处理结果应为: Z=1000线X4=4000计数值/每圈 即电机每转一圈,LM629计4000个数。
(2)采样周期
1 1

Ts-2048x——L-2048x—二一-256/.岱
正函懈8M
(3)加速度 4-ZxT,2xa-4000x(256x10_6)xa

a取0.1r/s2,得A-2.26x104计数值/每采样周期
A-2.26x10-5

x65536—1.718计数值/每采样周期

取整得:

A?2计数值/每采样周期

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A=00 00 00 02

hex计数值/每采样周期

32位加速度有16bit的正整数和16bit的小数构成,所以计算结果必须 乘以65536,并且转换成十六进制,从而满足LM629所要求的形式。
(4)速度

V=Z×乃×0.2r/s=0.2048计数值/每采样周期 矿=0.2048x65536=13421.77计数值/每采样周期
取整后:

矿=13422计数值/每采样周期
V=00 00 34 6E

hex计数值/每采样周期

32bit速度也由16bit的正整数和16bit的小数构成,所以计算结果同样 必须乘以65536,并且转换成十六进制,从而满足LM629所要求的形式。 (5)目标位置 P=Zx2.Or=8000计数值/每采样周期 转换成十六进制(位置值有正负);
P=00 00 lF 40

hex计数值/每采样周期

?轨迹参数编程时,以LTRJ命令引导,紧随其后为两个字节的控制字,具体 定义见LM629数据手册,然后传输加速度、速度和目标位置参数值,得具体流 程见表4.2示。 表4.2轨迹参数编制流程
端口 命令口 命令
LTRJ

写入值
(hex)
IF

备注 该命令用于初始化IJll629中轨迹参数接 收缓冲区

“忙”状态检测 数据口 数据口
fm LB 00 2A

这两个字节为轨迹的控制字,低字节2^ 表示角速度、速度和位置值要传输给 1j1629,并且都是绝对值。

。忙”状态检测

“忙”状态检测 数据口 数据口


LB

00

速度也是两个字,先传输高位字
00

“忙”状态检测 数据口 数据口 lm
LB 34

传输速度的低位字
6E

“忙”状态检测 数据口 数据口
l毋
LB 00

位置也是两个字,先传输高位字
00

“忙”状态检测 数据口 数据口
HB LB IF

传输位置值的低位字
40

“忙”状态检测 命令13



sTT




01

I该命令让LM629开始按该轨迹运行

●■■■■■■■■■●■■■■■■■■一I

I■■■■■■■■■■■■■■■■_●_●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■_●■_●■■■■■■●●一

4.2.5试验结果分析
本伺服系统控制中,充分利用了L~1629内部集成的PID数字控制器,大 大简化了硬件电路的结构,引入积分分离的PID控制算法,控制效果得到明 显改善。针对机器人的具体关节所选电机,例如第4、5所选电机型号为北京
勇光高特微电机有限公司生产的36LYX04-HR3,额定参数为27V。1.65^,最

大转数3300rpm;第四关节所选谐波减速器减速比为80;增量式光电编码器 为1000线。实验结果表明,减速器输出端转角精度可达0.1‘.采用积分分离 PID控制效果图与为采用该算法的控制效果图对比如图4.9所示。

41

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图4.9改善算法后的控制效果对比图
1为普通PID算法2为改进PID算法

4.3本章小结
本章首先阐述了单关节伺服控制系统的硬件设计及软件设计.性能优越 的专用运动控制芯片L1d629的引入,极大地简化了电路硬件结构,减少其设 计工作,并且能够实现较高精度的运动控制;采用积分分离的PID控制算法 有效的改善控制系统效果,试验表明其正确性及有效性.

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第5章
5.1

教学机器人通讯系统的设计

CAN总线系统
机器人的分布式控制系统中,对通信方式的选择至关重要,上位计算机

和下位各关节控制器间的通信既要满足硬件连接简单,扩充方便,又要满足 通信的高可靠性和实时性。本设计采用CAN总线作为通信标准,CAN总线是 一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络,与一般的通信网络相 比具有可靠性高、实时性和灵活性好的优点,非常适合作为机器人控制系统 中的通讯方式。
5.1。1

CAN总线特点简介M

现场总线(Field Bus)是一种造价低廉而又能经受工业现场环境的通信 系统。它不仅仅是一种通信技术,也不单是数字仪表代替模拟仪表,它是用 新一代的现场总线控制系统(Field
Control

System)代替传统的分布式控制

系统(Distributed Control System),实现现场通信网络、计算机技术与控
制系统的集成。 CAN(Controller Area Network)总线属于现场总线范畴,是唯一被批准

为国际标准的现场总线。它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通 信网络。CAN总线是德国Bosch公司从80年代初为解决现代汽车中众多的 控制与测试仪器之间的数据交换,而开发的一种串行数据通信协议,设计一 个单一的网络总线,所有的外围器件可以挂接在该总线上,各智能节点之间 可以可靠地进行多主方式的控制信号和数据信息的交换。
由于CAN总线采用了许多新技术及独特的设计,与一般通信总线相比,

CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性,其技术特点概括
如下:

(1)CAN是目前唯一有国际标准的现场总线。

(2)CAN为多主方式工作,网络上任何一节点均可在任意时刻主动地向

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网络上其它节点发送信息,而不分主从。

(3)在报文(Message)标识符上,CAN上的节点分成不同的优先级,可满 足不同的实时要求,优先级高的数据最多可在134
lI

S内得到传输。

(4)CAN采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信息出 现冲突时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点可不 受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络 负载很重的情况下,也不会出现网络瘫痪情况,而以太网则有可能出现瘫痪 情况。 (5)CAN节点只需要通过对报文的标识符(Identifier)滤波即可实现点 对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送和接收数据。 (6)CAN的直接通信距离最远可达10kin(此时速率在5kbps以下);通信 速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)。 (7)CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个。标准 帧(Standard Frame)报文标识符有11位,而扩展帧的报文标识符有29位。 (8)报文采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,保证了数据出错
率极低。

(9)CAN的每帧信息都有CRc校验及其它检错措施,具有极好的检错效
果。

(10)CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活。 (11)CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上 其它节点的操作不受影响。 (12)CAN总线具有较高的性价比。它结构简单,器件容易购置,每个节 点的价格较低,而且开发技术容易掌握,能充分利用现有的单片机开发工具。 CAN协议也是建立在国际标准组织的开放系统互联模型(0SI)基础上的。 不过,其模型结构只有3层,即只取0SI底层的物理层(Physical Layer), 数据链路层(Data
Link

Layer)和应用层(Application Layer)。由于CAN的

数据结构简单,又是范围较小的局域网,因此不需要其它中间层,应用层数 据直接取自数据链路层或直接向链路层写数据。结构层次少,有利于系统中 实时控制信号的传送。

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CAN总线的通信线路由两根导线组成,分别为CAN—H和CAN-L,这两根导 线也就是CAN网络中的总线。网络中所有的节点都挂接在该总线上,并且都 通过这两根导线交换数据。

斗|忙。
时同t

1用肯

图5.1总线位的数值表示 总线上某一时刻显现的数值由两根导线上电压、rcmn和VC.“-L的差值表 示。该差分电压vm可表示“显性”和“隐形”两种互补的逻辑数值,如图 5.1所示.在“隐性”状态下,差分电压v缸近似为0。“显性”状态V越则 大于一个最小阀值.在CAN总线标准通信协议中规定“显性”表示逻辑“0”, 而“隐性”则表示逻辑。1”.总线空闲位期间,总线表现“隐性”.
5.1.2

CAN总线结构形式

CAN遵从0SI模型,按照OSI基准模型,cAN结构翅|分为两层:数据 链路层和物理层.其具体的层次结构及各层的功能如图5.2所示。按照 IEEE802.3标准,数据链路层的子层功能为: 1.逻辑链路控制子层:涉及报文滤波、过载通知,以及恢复管理. 2.介质访问控制子层:是CAN协议的核心,它把接收到的报文提供给 LLC子层,并接收来自LLJc子层的报文。MAC子层负责报文分帧、仲裁、应答、 错误检测和标定,受故障界定监管。此故障界定为自检机制,以便把永久故 障和短时扰动区别开来。 物理层划分为:


1.物理介质附属装置,实现总线发送/接收的功能电路并可提供总线故 障检测方法.

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2.介质相关接口,实现物理介质与介质访问单元之间机械和电气接口. 姒U表示用于耦合节点到发送介质的物理层的功能部分,由PMA和MI)I构成。 3.物理指令,实现与位表示、定时和同步相关的功能。

图5.2 CAN的OSI参考模型的层结构

CAN总线是有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络,其一般组 成模型是由CAN控制节点和上位机组成。常见的两级总线模型见图5.3所示.

图5.3两级总线型结构

该两级总线型结构,通讯介质采用双绞线,可挂接100多个节点,信息

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的传输采用CaN通信协议。网络中各节点采集现场的数据,经二级总线发送 至转发器节点,再由转发器节点经一级总线送至主机节点.网络节点可以主 动也可以根据上位机系统的数据请求命令进行数据采集。 尽管CAN总线的系统结构可能不同(例如环形、树形),但节点的组成 结构都是一样的。每个节点由单片机、CAN控制器、CAN收发器组成。如图
5.4所示。

图5.4节点原理图

目前,一些知名的半导体厂商都生产CAN控制器芯片.其类型一种是独 立的,一种是和微处理器做在一起的。前者使用比较灵活,它可以与多种类 型的单片机、微处理器的各类标准总线进行接口组合.而后者则在许多特定 情况下,使电路设计简化和紧凑,从而提高效率。无论是哪种型式,哪种产 品,它们都是严格遵照已制定的CAN的规范和国际标准行事的. CAN总线驱动器提供了CAN控制器与物理总线之间的接口,是影响系统 网络性能的关键因素之一。CAN控制器通过它向总线传送差分数字信号;同 时也通过它接收总线上的差分数字信息。 本教学机器人的通信系统中,为了便于今后硬件结构的改进及更换,采 用单独的CAN控制器加CAN接收器的节点型式,实现上位机与下位伺服系统 之间的通信。

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5.2教学机器人通信系统硬件设计
5.2.1

CAN控制器SJAl000t”]

SJAl000是一种独立的CAN控制器,主要用于移动目标和一般工业环境 中的区域网络控制。它是PHILIPS半导体公司的优秀产品,并支持CAN2.0 协议。其芯片的基本特性如下:

(I)引脚、电器参数与PCA82C200(BasicCAN)控制器兼容,并具有其
默认的BasicCAN模式。 (2)有扩展的接收缓冲器64K字节,先进先出(FIFO)。 (3)支持CAN2.0A和CAN2.0B协议。 (4)支持1l位和29位标识码。
(5)通信位速率可达IMbps。 (6)增加一种新的操作模式PeliCAN,增加了多种新的扩展功能。

(7)可与不同的微处理器接口。 (8)可编程的CAN输出驱动器配置。 (9)温度适应范围大。
SJAl000的内部结构如图5.5所示。

SJAl000芯片的主要引脚定义:AD7~ADO为地址/数据总线;ALE/AS引脚, ALE输入信号(Intel模式),AS输入信号(Motorola模式);RD/E引脚, CPU读引脚,高电平使能信号;WR为CPU的写引脚;TXO(TXl)引脚的功 能为从CAN输出驱动器0(输出驱动器I)输出到导物理线路上;RXo,Rxl 引脚为从物理的CAN总线输入到SJAl000输入比较器。显性电平将唤醒 SJAl000的睡眠模式。如果RXI电平比RXO的高,就读显性电平,反之读隐 性电平。如果始终分频寄存器的CBP位被置l,CAN输入比较器被旁路以减少 内部延时。当SJAl000连到外部收发电路时,只有RXO被激活,隐性电平被 认为是逻辑高而显性电平被认为是逻辑低;其它引脚的功能见其芯片详细说
明书。

48

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图5.5 CJAl000内部结构图

通过图5.6所示的内部主要模块结构图,能清晰了解SJ^1000在CAN总 线系统中的位置及所起的作用。
RTAlnm
”_
U 接口 管理 逻辑



一 一+ 一 _- 一+ 一+
._

—]缓冲区广——1 ,LJ接收l一验收L一
I................_J I..................._J

CAN

._

__一
收发 鬻




核心模块
CAN2.o



1 FIFO门过滤器r

一 —_-



-.

综合图5.5及图5.6,其芯片内部集成下面几个控制模块:



接口编辑逻辑:用来解释来自CPU的命令,控制CAN寄存器的寻址,向 CPU提供中断信息和状态信息. 发送缓冲器:是CPU和(位流处理器)BSP之间的接口.它能够存储要 通过CAN网络发送的一条完整报文.

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接收缓冲器:用来接收滤波器和CPU之间的接口,存储从CAN总线上接 收并确认的信息。CPU在RXFIFO的支持下,可以在处理~条报文的同时接收 其它报文。 验收滤波器:其把它的内容和接收到的标识码相比较,以决定是否接收 下这条报文。在验收测试通过后,这条完整的报文就被保存在接收缓冲器中。 位流处理器:是一个在发送缓冲器、接收缓冲器和CAN总线之间控制数 据流的队列(序列)发生器。它还执行总线上的错误检测、仲裁、填充和错 误处理。 位时序逻辑:用来监视串行的CAN总线和位时序。它是在一条报文开头, 总线传输出现从隐性导显性时同步于CAN总线上的位流(硬同步),并且在 其后接收~条报文的传输过程中再同步(软同步)。此外位时序逻辑还提供 了可编程的时间段来波长传播延时、相位偏移(例如,由于振荡器漂移)和 定义采样点和每一位的采样次数。 错误管理逻辑:负责限制传输层模块的错误。它接收来自位流处理器的 出错报告,然后把有关错误统计告诉位流处理器和接口管理逻辑。

SJAl000在软件和引脚上都与它的前一款—PcA82C200独立控制器兼容。
在此基础上增加了许多新的功能。有两种不同模式可以在SJRl000上执行, 一种是BasicCAN模式(即与PCA82C200兼容的模式),另一种是PeliC^N 模式(即其扩展的功能)。
5.2.2

CAN驱动器820250

E4”

82C250是CAN总线控制器与物理总线之间的接口,它最初是为汽车中的 高速应用(最快可达iMbps)而设计的。该器件可以提供对总线的差动发送 和接收功能。82C250的主要特性如下: (I)与IS011898标准完全兼容; (2)高速率(最高可达iMbps); (3)具有特定环境下的瞬间干扰、保护总线的能力: (4)采用斜率控制(Slope Contr01),降低射频干扰(RFI); (5)过热保护;

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(6)总线与电源及地之间的短路保护; (7)低电流待机模式; (8)未上电节点不会干扰总线; (9)总线至少可接110个节点。 82C250功能框图如图5.7所示

1知(2’
Rs(S)

V∞(3

一一I竺二!厂——11



R)∞?(4)

VI。f(5)




、、J
PCA82C250



C删
C^NL



GND(

图5.7 82C250功能框图

82C250驱动电路内部具有限流电路,可防止发送输出级对电源、地或负 载短路。虽然短路出现时功耗增加,但不致使输出级损坏。若结温超过大约 160aC,则两个发送器输出端极限电流将减小,由于发送器是功耗的主要部分, 因而限制了芯片的温升。器件的所有其它部分将继续工作。82C250采用双线 差分驱动,有助于抑制在恶劣电气环境下的瞬变干扰。 引脚Rs(8)用于选定82C250的工作模式,共有三种工作模式可供选择: 高速、斜率控制和待机;利用82c250可方便地在CAN控制器与驱动器之间建 立光电隔离,以实现总线上各节点问的电气隔离. 双绞线并不是CAN总线的唯一传输介质.利用光电转换接口器件及星形 光纤耦合器可建立光纤介质的CAN总线通讯系统。此时。光纤中有光表示显 性位,无光表示隐性位。 利用CAN控制器的双相位输出模式,通过设计适当的接口电路,不难实 现人们希望的电源线与CAN通信线的复用.另外,CAN协议中卓越的错误检
51

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出及自动重发功能为建立高效的基于电力线载波或无线电介质的CAN通信系 统提供了方便。
5.2.3

PCI"-OAN总线适配卡

PCI--CAN总线适配卡是Pc上位机与各个子系统之间进行信息交换的桥 梁,是教学机器人实现实时控制的可靠保证。采用PCI总线与CAN总线进行 数据交换,可最大限度挖掘CAN总线的通讯速度的潜力。PCI--CAIN总线适配 卡主要由以下几个功能模块组成,如图5.8所示.

图5.8 PcI_cAN适配卡原理图

单片机系统:适配卡通信控制的核心,采用固化了CAN通信协议的单片 机P80C592。通过对四个特殊功能寄存器实现与片内CPU之间的数据传输; 通过AMR、ACR、IR、OCR等寄存器和发送缓冲区、接收缓冲区来实现与其它 CAN节点的通信及其控制. PCI接口模块:局部总线(cAN)与主设备(Pc)进行数据传输的桥接模 块,通过Pcl9052实现CAN总线与PCI总线之间的数据传输。PCI9052具有 低成本、低功耗等特点,可使局部总线快速转换导PCI总线上.多用于适配

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卡的小型而高性能的PCI目标接口设计。 共享存储器:PCI总线和CAN总线数据传输的中转站。由两片SRAlI组成, 为了避免数据冲突,一片完成上行数据的传输,即单片机只写,Pc只读;一 片完成下行数据的传输,即Pc机只写,单片机只读。 串行EEPROM:适配卡采用中断方式进行通信。PCI支持内存映射I/0映 射,由串行EEPROM的参数配置,确定局部寄存器和PCI的基址寄存器实现。 ST93CS46完成PCI9052的参数配置,确定PCI总线的数据传输方式、中断响 应方式、地址映射方式、适配卡实现功能配置等相关参数的配置。当系统上 电后,从中读取参数,写入PCI9052中的PcI配置寄存器和局部配置寄存器, 实现适配卡的空间配置,实现一定的数据传输控制。PCI总线采用即插即用 (PNP)协议,在系统建立时由操作系统根据PCI9052的EEPRO-I中的参数完

成㈨。
参数配置模块:完成单片机模块的初始化工作。 地址和中断逻辑控制:完成PCI—共享存储器—cAN三者之间数据传输的 控制. CAN总线物理接口:采用P80C250,实现cAN控制器与物理总线之间的接 口连接。CAN控制器通过它向总线传送差分信号;同时也通过它接收总线上
的差分数字信息。

5.2.4教学机器人通讯系统硬件结构
综合上述的内容,根据本教学机器人的实际特点,设计的CAN总线系统 智能节点硬件结构如图5.9所示。每个关节伺服系统中的微处理器(AT89S52) 搭载CAN控制器SJAl000+CAN驱动器P80C250组成一个独立智能节点。微处 理器负责SJAl000的初始化,通过控制SJAi000实现数据的接收和发送等通 信任务。 本设计并没用选用集成可编程CAN控制芯片的微处理器,尽管这种方式 可靠性更高一些,但考虑到这种芯片在开发时需要专门的开发工具,而采用 通用单片机搭载CAN控制器、驱动器组成节点的通信方式就不需要考虑这个 问题,普通的单片机仿真器就能完成开发调试,而且设计时也更加灵活。

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PCI-CAN适配卡是基于C^N总线的ISA总线扩展卡,该卡具备CAN接口 和Pc扩展接口,用来完成上行数据和下行数据传输.适配卡的工作流程: Pc-CAN适配卡上电复位和初始化之后,读取适配卡参数配置寄存器的配置参 数,初始化缓冲存储区以及共享存储器,初始化成功之后,向CAN总线上的 节点发送巡检信息,检测Pc_CAN适配卡的工作状态,并对共享存储器初始化 处理。适配卡的采用能够保证教学机器人上位机与下层各个关节控制系统之 间的实时通信的可靠及畅通。

图5.9 CAN智能节点硬件结构图

SJ^1000的ADo~AD7引脚连接到AT89S52的PO口上,CS连接到89S52 的PI.0.P1.0为0时CPU片外存储器地址选中SJAl000,CPU通过这些地址 可对SJAl000执行相应的读/写操作。SJAl000的RD、WR、ALE分别与CPU 的对应引脚相连.INT接89S52的INTI,这样AT89S52与SJ^1000就能通过 中断方式来进行通信。
?

P82C250的Rs引脚可以选择2种不同的工作方式:当与地相连,则系统 处于高速工作方式,在这种方式下,为避免干扰,最好使用屏蔽电缆作为总 线;而在低波特率且总线较短时,一般采用斜率控制方式,上升及下降的斜

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率取决于Rs的阻值,其取值一边在1KQ~140KQ较为理想,在这种方式下可 以采用双绞线作为总线的物理介质。本系统采用的就是这种方式,根据总线 的通信速度取其阻值为10ko。 SJAl000的TXl引脚悬空,RXl引脚的电平必须维持在约0.5VCC以上, 否则不能形成CAN协议要求的电平逻辑。本设计的系统由于传输距离较近且 干扰小,可以不用电流隔离,直接把82C250的Vref与SJAl000的RXl相连, 从而简化了电路。 为增强CAN总线节点的抗干扰能力,在SJAl000与P82C250之间加光耦, 从而实现电气隔离。在P82C250的CANH和CANL引脚可以各自通过一个5Q的 电阻与CAN总线相连,电阻能起到限流的作用,保护P82C250免受过流的冲 击。此外CANH和CANL与地之间可以并联两个30pF的电容,起到滤除总线上 的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。

5.3教学机器人通信系统的软件设计m?引¨
教学机器人通信系统的软件设计主要体现在CAN总线系统的节点的软件 设计。其主要包括三大部分:CAN节点初始化、报文发送、报文接收。

5.3.1初始化程序
初始化程序主要是通过对CAN控制器控制段中的寄存器写入控制字,以 满足系统运行的要求。初始化之前,必须要给CAN控制器发一个复位请求, 置复位请求位为1。初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、 接收屏蔽寄存器(AMR)和接收代码寄存器(AcR)的设置、波特率参数设置 和中断允许寄存器(IER)的设置等。这些寄存器仅能在复位期间可写访问, 因此在对这些寄存器初始化前,必须确保系统已经进入复位状态。在完成CAN 控制器(SJAl000)的初始化设置之后,SJAl000就可以回到工作状态,进行
正常的通信任务。


上文已经提及,SJAl000有两种工作模式:8asicCAN和PeliCAN,SJAl000 上电后首先进入的是BasieCAN模式。由于PeliCAN支持CAN2.OB规范,所以 本设计的CAN网络节点采用PeliCAN模式。
55

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SJAl000初始化关系能否成功通信的问题,如果配置不当的话,很可能 CAN总线不能正常运行。对其进行初始化程序流程图见图5.10所示。 SJAl000中各个存储器的值可以根据实际需要作合理的配置。但CAN总线上 的节点的波特率必须相同,否则将引起通信失败.系统节点通信波特率是由 总线定时寄存器0、总线定时寄存器1和系统的晶振频率所决定的。

I黼l



cAN中断
l。





叁否 ≮ 黼频l器
l进入复位模式l
I l

l硫鬻时l I配嬲制f






配置接收缓冲器 起始地址寄存器




进入工作模式

I鬻寄存器

配置验收码、
屏蔽码








.在鑫处


在8蟠52中开

。蛾中断



厂熹_、
图5.10 CAN节点程序初始化流程

总线定时寄存器0去定了波特率预设值(BRP)和同步跳转宽度(SJw) 值,它各个位的功能见表5.1所示. 表5.1 SJAl000总线寄存器0各位功能表

总线定时器1则定义了每个位周期的长度、采样点的位置和在每个采样
’56

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点的采样数目。总线定时器1各位的功能见表5.2所示。 表5.2 sJAl000总线定时器1各位功能表
BIT7

BIT6 TSBG2.

BIT5 TSBG2.


BIT4 TSBG2.


BIT3 TSEGl. 3

BIT2 TSEGl. 2

BITl

BIT0

TSEGl.


TSEGl. 0

SAM


图5.11为SJAl000一个周期的结构图.







采样点

图5.11 SJAl000一位的周期结构 系统的波特率:

波特率.兰。————L—斗
t如翰rc诬D+n殛Gl+tTSEaZ

其中

tFace∞.G-觚

细l-觚×(8xTSEGI.3+4xTSEGl.2+2xTSEGl.I+TSEGl.0+1)
tsaoz-tscKx(4xTSEG2.2+2xTSEG2.1+TSEG2.O+1) 又有

l蛋。-2xtcu【x02x田澧tP.5+16x月|兄P.4+8×点皤碱3+4xBRP.2+2xBRP.I+I)
其中,tczx为晶振频率。若晶振频率为12狮-lz,BTR0=09H,BTRl=04H,则 由上述公式可得系统的波特率为500Kbps.


5.3.2报文的发送和接收
在完成对CAN节点的初始化之后,就可以通过CAN控制器(SJAl000)向 物理总线发送和接收数据。在这期间,微处理器(89S52)和CAN总线控制器
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(sJAl000)的通信是通过中断方式实现的,微处理器通过中断程序对总线控 制器的中断请求做出相应的响应。当SJAl000的接收缓冲区已满时,向89S52 发出中断请求,通知其将数据取出;当SJAl000把前面的写入缓冲区的数据 发送完成之后,通过中断方式通知89S52缓冲器已空,可以写入其它数据。 SJAl000发送缓冲区的标准帧和扩展帧格式的配置见图5.12所示。发送 缓冲区分为描述符区和数据区两部分。描述符区的第一个字节是帧信息字节, 它说明了帧格式(标准帧和扩展帧)、远程或数据帧和数据长度。从图中可 以看出标准帧格式(SFF)由两个字节的标识码,而扩展帧(EFF)有四个字 节的标识码。 标准帧格式(SFF) 扩展帧格式(EFF)

妻 蚕





图5.12 SJAl000发送缓冲区配置图

发送数据,只需将要发送的数据按照CAN控制器SJAl000规定的格式组 合成一帧报文,送入控制器的发送缓冲区中,启动SJAl000发送就可以实现. 在报文发送之间要做出一些判断,读取SJAl000状态字,判定其是否在 接收,确定其未在接收并且上次发送已经完成之后,再次判定接收缓冲区状 态;确定发送缓冲区未被锁定则向缓冲区发送扩展帧数据帧(因本设计采用 PeliCAN模式),并且数据域长度为8个字节,最后启动SJAl000发送。其 过程流程图见图5.13所示。

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暂存欲发送 报文

纂蓑芰鐾至紫
中断返回

二[
设置“更多 报文”标识

图5.13 SJAl000发送中断程序流程

数据的接收要比数据发送过程要复杂一些,因为在处理接收报文的过程 中,同时要对诸如总线关闭、错误报警、接收溢出等情况进行处理.SJ^1000 报文的接收主要有两种方式:中断接收方式和查询接受方式.由于本设计机 器人系统各个关节与上位机通信的实时性要求比较强,所以我们采用中断接 收的方式。 SMl000接收中断程序流程框图见图5.14所示。

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图5.14 SJAlOOO接收中断程序流程图

5.4本章小结
本章系统介绍本教学机器人基于CAN总线的通信系统的设计与实现。对 性能优越的cAN总线的技术特点及结构型式做了简单介绍。针对本教学机器 人的实际特点,完成通信系统的硬件设计及软件设计.为整个教学机器人控 制系统的优良性能提供保证。

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第6章单关节控制系统实验
6.1实验平台简介
实验平台的搭建主要分为两部分:一是机器人机械本体部分组装,二是 关节伺服控制系统部分。第一部分的工作内容已经完成,通过电机直接加电 使其转动,目测机械精度较高,关节之间并太无明显间隙,若机器人的控制 系统控制效果理想就可以保证末端执行的精度要求. 由于课题时间的限制,机器人控制系统中只完成单关节的位置伺服控制 系统的设计和单关节系统作为CAN总线的一个节点的设计,但是由于并没 有购买PCI-CAN适配卡,此外上位机的运动控制主程序没有完成,这种条件 下,能做的实验只有单关节的位置控制效果实验。由于缺少必要的测量工具 手段,机器人关节的转角只能通过目测,从编码器反馈的电机的信息也不能 很好的从上位机体现出来,只能借助单片机仿真器的开发软件的读数中得到, 这对控制效果的结果分析影响很大,位置控制系统中的分离P1D控制的控制 效果分析无法实现。

图6.1实验平台实物图

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实验平台实物见图6.1所示,组成主要分为三部分:机器人本体部分,上 位机部分(Pc),控制硬件及相关开发工具部分。机器人本体部分中关节的 转动只能通过目测确定其转角大致是否准确。因为机器人运动控制主程序及 接口界面相关工作没有完成,实验中上位机实现的功能是运行单片机仿真程 序,从而实现对机器人关节的控制。控制硬件及相关开发工具部分包括设计 的单关节位置控制电路板及其作为~独立CAN节点的电路板,但是通讯系 统实验暂时无法实现,此外包括单片机仿真器,微机用电源,示波器等,仿 真器选用的是伟福H51L型号仿真器。 单关节位置控制系统如图6.2所示。

图6.2单关位置伺服控制系统硬件

6.2实验内容及过程
实验中控制机器人的第一关节,实验内容包括:一是顺时针转动459,通 过仿真器软件读取反馈结果,之后反转450,再读取反馈结果,通过在机器人 第一关节初始位置的标记目测验证其回程是否准确,往复三次并记录数据; 通过调整PID参数,尽量减小误差,实现良好控制效果.在使其转动90*, 过程跟上面相同,观察实验位置控制系统的控制效果. 前文已经说明,本实验的运动参数反馈只能通过伟福仿真器的软件 WAVE6000的视窗中读出.该控制软件的界面如图6.3所示,数据显示区为 图片中左上角黑色圆圈中区域显示。
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图6.3伟福仿真软件界面 已知及设定、计算参数如下: 1)增量式光电编码器分辨率为1000线 2)采样周期为2.56/Ms 3)电机的加速度设为200计数/采样周期 4)电机的转动速度设为671090计数,采样周期,即电机速度10r/s 5)第一关节减速器减速比为125,关节转动45',计算得目标位置值为 625∞计数值

6)第一次调试设置PID设置中,为避免振荡,珞取10,其它参数取0.
以上参数其意义详见论文4.2.4部分。 关节转动45",进程、回程,往复转动三次读取的数据结果如表每1所示 表6.1未调整PID参数,往复三次数据表


理论位置值为:0000F424H 关节转动9(F,进程、回程,往复转动三次读取的数据结果如表6-2所示

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表6.2未调整PID参数,往复三次数据表
l 2 3

进程 回程

00 01 E7 Dl
00 01 E7 CD

00 01 E7 E3 00 01鹋04

00 01 E7 F8
00 01 E8 17

理论位置值为:o001 E848H 转化为10进制,求得上两个表中数据的平均误差在0.2%以内.可见, LM629运动芯片的位置控制功能之强大,即使控制参数并未调整仍能获得较 高的位置精度。转动多次进程、回程后,在关节上的标记目测有微小差异。

通过多次调试PID参数,取Kp=12,Kr=-15,岛=60时
转45a进程、回程三次,记录数据见表6-3所示 表6.3调整PID参数后,往复三次数据表
l 2 00 oo F4

3 18 1C
00 00 F4 1F

进程 回程

00 00 F4 1B 00 00 F4 20 0000F424H

00 00 F4

00 00 F4 21

理论位置值为:

转90a进程、回程三次,记录数据见表64所示 表6.3调整PID参数后,往复三次数据表



00 0l 00 01 E8 3E oo



进程 回程

∞01髓3C
00 01 E8 33

01朗33

EB 42

00 01 E8 3A

理论位置值为:0001

E848H

转化为10进制,求得上两个表中数据的平均误差硼.03%,精度已经非常
高,实际上由于机械系统存在的一定误差,反馈的精度高于一定数值已无意
义.

6.5本章小结
机器人关节位置控制系统采用性能强劲的运动控制芯片L~1629为核心, 控制运动过程转动平稳,通过实验数据表明能实现较高的位置控制精度,验 证本设计比较适合机器人关节控制。


哈尔滨=r=程大学硕士学位论文

结论
串联型关节式机器人发展比较成熟,本论文旨在设计一套微型结构、并 具有较好开放性的机器人,以满足机器人相关课程的教学需求,并为实验室 机器人技术的继续深入研究提供良好平台。本文主要研究内容如下: 1.设计完成机器人机械本体:设计了一套传动机构内置的机器人关节结 构,其不但保证机器人外型的美观,还能实现较高的机械精度。 2.机器人控制系统采用基于PC的二级分布式结构,其具有良好的开放 性,能加大限度提高机器人的性能。 3.设计了一套以专用运动控制芯片为核心,硬件电路简洁,并能实现高 精度位置控制的机器人关节控制系统,并对其控制算法的进行了改进,实验
表明其控制效果理想。

4.机器人通讯系统基于CAN总线标准,保证上位机与机器人各关节之
间通讯的高可靠性和高实时性。

本课题只完成教学机器人的本体、下位机的伺服控制系统及通讯部分的 初步研究,后续的工作包括: 1.针对调试过程中出现的问题,对伺服控制系统进行相应的改进。 2.进一步完成CAN总线节点与总线之间的调试工作。 3.对机器人的运动学进行进一步深入的研究,以实现机器人运动的精确
和灵活。

4.上位机是整个控制系统的核心,尚有很多工作要做.

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哈尔滨工程大学硕士学位论文

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
[1]

闰志超,王立权,金明昱.CPCI总线加固型计算机的有限元动态分析 (待发表)

哈尔滨工程大学硕士学位论文





在论文完成之际,向恩师王立权教授表示深深的感谢。王立权教授治学 严谨、平易近人,其执着的敬业精神和忘我的工作态度让我受益匪浅。在两 年多的学习生活中得到了恩师悉心的指导和帮助,我将铭记在心。 另外要特别感谢孟庆鑫教授,孟老师严谨的治学态度、一丝不苟的作风
和高尚的人格修养是学生一生的榜样。

在攻读硕士学位期间,得到了孙荣华老师、赵长发老师、张岚老师的无 私帮助和耐心指导,在此表示感谢。
论文过程中得到了师兄王华博士、贾鹏博士及同窗郝欣伟的极大帮助,

此外,还要感谢我的朋友、同学:佟万成、罗萌、陈永军、黄喜平、安永东、 吴健荣、任新刚等。两年多的时间里大家一同学习公事,相处非常愉快。 总之,感谢海洋智能机械研究所的所有老师和同学,感谢曾经帮助过的
朋友和同学。

最后,感谢我的女友上官云霞对论文的校译工作。感谢我的父母和哥哥,
您们的支持是我一生的动力。

开放式教学机器人控制系统研究
作者: 学位授予单位: 闫志超 哈尔滨工程大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1098186.aspx


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