基于ARM的嵌入式系统在机器人控制系统中的应用.
基于ARM的嵌入式系统在机器人控制系统中的应用
摘要:依据现代机器人技术的发展特点，提出了一种基于ARM （AdvancedRISCMicroprocessor）、DSP和arm-linux的嵌入式机器人控制系统的设计方法，介绍了嵌入式系统，给出了功能设计、结构设计、硬件设计、软件设计的控制系统的设计过程，并分别从上述各方面对控制系统的通用性进行了探讨。层次化的体系结构、模块化的硬件、结构化的软件使得设计出的机器人控制系统经过简单的硬件调整和软件定制，就能适用于多种机器人。通过七自由度串
摘要: 依据现代机器人技术的发展特点，提出了一种基于ARM
（Advanced RISC Microprocessor）、DSP和arm-linux的嵌入式机器人控制系统的设计方法，介绍了嵌入式系统，给出了功能设计、结构设计、硬件设计、软件设计的控制系统的设计过程，并分别从上述各方面对控制系统的通用性进行了探讨。层次化的体系结构、模块化的硬件、结构化的软件使得设计出的机器人控制系统经过简单的硬件调整和软件定制，就能适用于多种机器人。通过七自由度串联机器人抓取工件的实例验证，该机器人控制系统性能稳定、具有一定的通用性。
关键词: 嵌入式系统，控制系统，ARM，机器人
1 前言
随着科学技术的发展，机器人将在太空探测、救灾防爆、海洋开发等领域有着广阔的应用前景，因而其发展正在成为国内外研究人员关注的焦点[1,2,3]。分析上述各种用途的机器人，其构成不外乎机构本题和控制系统两大部分。机构本体在体现机器人特色的同时，也决定了其必然是无人系统，在恶劣的环境下，机器人要具备一定的自主能力。这就要求机器人有一定的“判断能力”和“想法”，需要复杂的算法，包括运动算法和模式识别算法。一般的微处理器是无法完成这项任务，而上述各种机器人又无法使用计算机控制作业，32位微处理器和嵌入式操作系统的出现解决了此问题。
嵌入式系统是指以应用为核心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪，以及适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统[4,5,6,7]。作为嵌入式系统的核心，嵌入式微处理器为8位、16位或32微处理器。但由于8位和16位微处理器的运行速度、寻址能力和功耗等问题，已较难满足相对复杂的嵌入式应用场合。在32位嵌入式应用领域内，ARM （Advanced RISC Machine）获得了巨大的成功[8,9,10,11]。ARM微处理器一般具有体积小、低功耗、低成本、高性能的特点;例如，由于它有大量的使用寄存器，指令执行速度更快，于是大多数数据操作都在寄存器中完成;它的寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定等。在ARM中，可以嵌入嵌入式操作系统，在此系统上可完成复杂的算法，可以代替PC机完成各种任务。
本文首先介绍了嵌入式系统的结构，然后介绍如何利用嵌入式操作系统和ARM 、DSP构建机器人控制系统，最后说明使用此控制系统控制7自由度串联机器人[12]。
2 嵌入式系统的结构
嵌入式系统主要由嵌入式操作系统和承载操作系统的硬件组成。
2.1 嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是嵌入式系统的控制中心，主要用于对系统的信息处理部件和用户交互界面加以控制。
2.1.1嵌入式操作系统的实时性
在嵌入式领域中，实时是一个非常重要的概念。实时系统是指在确定的时间内完成规定功能，并能对外部异步事件作出正确响应的计算机系统。
实时系统的核心是必须在确定的时间内执行完一项预先定义的操作，否则将引起性能下降甚至系统崩溃等严重后果。需要说明的是，实时系统并不是说系统的响应和处理速度非常快，实时系统的实时性的实现需要软硬件的配合来完成。首先应该保证硬件的处理速度满足实时性的要求，同时相对软件而言，实时性体现在组成软件系统的各个任务的执行时限。
在嵌入式系统中，评价一个实时系统的性能要从任务调度功能、内存管理功能、最小内存开销、任务切换时间、最大中断禁止时间等方面考虑。
2.1.2 嵌入式系统中的软件
嵌入式系统的软件部分，具有以下特点：
1）嵌入式软件的开发与硬件紧密相关。由于嵌入式软件的开发式针对具体硬件平台进行的，它往往牵涉硬件驱动方面的一些软硬结合部分。
2）软件代码要求高效率和高可靠性。嵌入式系统中软件运行空间有限，内存空间非常宝贵，在软件的编程过程中需时刻考虑软件的运行效率。在实时系统中，处理器必须严格处理异步发生的各种任务。此外，嵌入式软件系统还应有异常处理、快速复位等特点。
3）软件一般固化在FLASH或ROM中。为了提高执行速度和系统的可靠性，同时缩短系统复位时间，一般在嵌入式软件调试完毕后，会下载固化到目标板中的FLASH或ROM中。
2.1.3 嵌入式系统的应用
嵌入式系统产品遍布人们的日常生活，从手机、PDA到家中的空调、冰箱，从
小汽车到波音飞机，甚至武器库中的巡航导弹，都有它的踪迹。嵌入式产品已经在很多领域得到广泛的使用，如国防、工业控制、通信、办公自动化和消费电子领域等。
2.2 嵌入式系统的硬件系统
与普通的PC硬件相比，嵌入式系统的硬件系统具有以下特性：
1）体积小，集成效率高。嵌入式系统去除了冗余，力争用最小的系统完成目标功能。
2）面向特定应用。
3）低功耗，电磁兼容性好，能在恶劣环境下工作，死机时能够快速重启。
嵌入式系统硬件在价格、功能、体积、重量、能耗等方面都有严格的限制。
3 系统功能与设计
3.1 系统功能
本着既能满足多种类型机器人的实际需要，又尽量节约资源的原则，控制系统提供的功能如下：
1）上位机监控.响应控制台发出的指令. 向下位机发送数据和命令;
2）通讯总线. 现场总线，用于和其他控制器信息交互;
3）传感器集成.直接集成姿态、位置、深度、高度、速度、加速度等传感器，或者预留接口;
4）脉宽调制.用于调整电机的速度和位置，从而控制机器人的速度和姿态等;
5）A/D采集.监视工作电压、电流、压力等A/D量，用于系统控制或状态记录;
6）I/O控制.用于对外围开关量的监控;
7）数据记录.用于设定参数的存储、运动路线的定制或相关监控数据的记录;
8）通讯协议.便于控制器之间及机器人与上位机之间信息可靠、高效传递;
9）信息处理.各种传感器输出数据的提取、处理及多传感器信息融合;
10）控制算法.下位计算法主要是前馈算法和PID算法，上位机算法视具体的机器人而定。
3.2 系统设计
此系统的设计主要是为了能够满足多种机器人控制需求，同时兼顾机器人对控制器体积、重量、功耗等敏感的特性。
上位机CPU选用Samsung公司的基于ARM920T[5,6]核（适用于实时环境）的低功耗、16/32 bit、高性能RISC微控制器S3C2410，它的主频为266MHz;操作系统选用源码公开、专为ARM设计的、可靠性高的实时、多任务内核arm-Linux;下位机选用Ti公司的具有低功耗、灵活指令集、内部操作灵活、高速的运算能力等性能的DSP-TMS320LF2407。
3.2.1 体系结构
基于ARM、DSP和arm-Linux的机器人控制系统硬件结构图如图1所示。
机器人控制器硬件结构
上位机主要解决算法问题，处理各个传感器送回的信号，根据各个信号，向下位机发送控制命令，同时，上位机接收来自下位机的信号，判断下位机的状态，以便发送相应的数据和命令。下位机主要是对电机的控制，根据上位机发送过来的命令和数据，结合前馈算法和PID算法，对电机进行速度、位置等控制。
不同类型的机器人，其主要区别在于上位机的算法编写，上位机的算法与具体的机器人所要求完成的任务有关。在一个机器人系统中，只需一个上位机，作为机器人的“大脑”;下位机的个数则根据机器人需要而定。
3.2.2 硬件设计
硬件设计的原则是：部件模块化，接口标准化，互换性、扩展性好，可靠性高。
硬件可划分为CPU模块、外设模块。两个模块层可叠在一起，机械上可拆分，相互之间有接口相连，便于互换和维护。
1）CPU模块：上位机包括S3C2410、SDRAM、NAND FLASH、晶振等系统运行的基本要素;下位机包括TMS320LF2407、SDRAM、晶振等系统运行的基本要素。
2）外设模块：上位机包括电源接口、485总线接口、A/D接口、I/O接口、PWM 接口、下位机通讯接口、USB HOST接口、USB SLAVE 接口、LCD接口等，同时它也是传感器模块和CPU模块连接的桥梁;下位机包括电源接口、485总线接
口、I/O接口、PWM接口、光电编码器接口、上位机通讯接口、A/D接口，FLASH等。
S3C2410芯片本身集成了一些通用的外围器件，所以像A/D、USB、I/O等通道直接利用其资源。片内的2个UART分别用作485总线及与下位机通讯接口，这两个串口属于对外连接口，为了避免引入外界干扰，用高速光隔HCPL2630进行隔离。TMS320LF2407芯片本身也集成了一些通用的外围器件，可直接利用PWM、A/D、I/O、光电编码器接口等资源。片内UART用作与上位机通讯接口，也用了光电隔离。
针对不同的机器人，硬件部分只需做简单的接口调整或传感器增删。
控制器集成尺寸：上位机模块为60mm×45mm×35mm，总功耗约为
5V ×200mA，其中CPU模块功耗尽为3.3V×30mA;下位机模块尺寸
60mm×40mm×30mm，功耗也是很低的，而一般的PC104总线CPU模块功耗约为5V×1000mA。
3.2.3 软件设计
软件设计的基本原则是：软件结构化，驱动标准化，系统可定制[13]。
软件设计的主要工作是操作系统的移植、驱动程序的设计、常用API函数的封装、多任务的分解与设计、上位机算法的编写和下位机驱动程序与算法的编写等。其中关键在于上下位机的同步性，当多个控制器一起工作时，同步问题更加重要了。上位机把数据传送给下位机，先把控制器的标号给传下去，只有与此号码相对应模块才能接收下面的数据，当下位机接收到信号后，需要向上位机发送一个确认信号。需要同步多个处理器，分别占用总线。为了使多机通讯同步，不发生信号冲突，在设计硬件时，每个微处理器使用了一个I/O口，并把每个处理器的I/O口用线连在一起。当一个控制器接收或发送数据时，向其它处理器发送一个高信号，来说明自己正在使用总线。接受到该信号的处理器得知总线正在忙，不再发送数据，可避免总线冲突。事实证明这种方法是可行的，不会发生总线冲突，多处理器工作时同步性很好。
本软件中传感器数据的读取、校验、提取、处理均按照NMEA0183标准进行，便于系统升级。
系统可定制主要是考虑到针对不同机器人其上层软件不尽相同。
4 实验研究
应用于7自由度串联机器人
为了验证该机器人控制系统的性能，设计了场景试验：7自由度串联机器人首先抓取第一工件放在加工台上;把其它两个工件依次前移;最后把加工完的工件放在最后的位置上，整个过程如图6～图9所示。
机器人完成这个任务所要经过的过程：①机器人抓取第一个工件，并把它放在加工台上，如图2～图3所示;②机器人把第2个工件移到第一个位置，准备进行加工，如图4～图5所示;③把第三个工件移到第二个位置上，图6～图7所示;④机器人抓取加工好的工件，并把它放在第三个位置上，如图8～图9所示。
这样一个循环周期便完成了一个工件的加工，可使后面的工件依次得到加工。
在该控制系统内，上位机（S3C2410）首次算好1000个点，通过RS485总线传送给每个下位机控制器并把这些点存于下位机FLASH中。每个下位机运行各自的点，每当运行的点数超过500时，便向上位机要500个数据。这样节省了上下位机交互的时间，改善了串联机器人的同步性，提高了跟踪精度。另外，由于ARM9的存在，不需要计算机的控制。上述7自由度串联机器人的每个动作都是“自主”完成的，即没有计算机的控制。
通过实验证明，该控制系统稳定性好，实时性，可以在恶劣的环境下工作，通用性较强。
5 结论
本文中设计的嵌入式机器人控制系统在七自由度串联机器人上的应用取得了一定成效，实时性、可靠性、通用性均有良好的表现，其体积小、功耗低，实际情况比较令人满意;此控制系统在上位机（ARM）中写控制算法，通过总线方式对下位机（DSP）进行控制，而不需要计算机的控制，可独立自主的判断如何动作。目前，该嵌入式控制系统的性能上还存在着诸多不足，主要表现在控制器中的控制算法的设计和功能的完善上，这也是今后努力的方向。
本文的创新点是机器人的自主性质，即机器人有自己的“判断能力”，不须计算机控制。
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机器人控制系统组成、分类及要求
机器人控制系统 一、工业机器人控制系统应具有的特点 工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项。其中有些项目的控制是非常复杂的，这就决定了工业机器人的控制系统应具有以下特点： （1）工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有着密不可分的关系，因而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同而要做适当的坐标变换，同时要经常求解运动学和动力学问题。 （2）描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着工业机器人的运动及环境而改变。又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止个，而且各个变量之间般都存在耦合问题。这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。 （3）对工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。 二、对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ?记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ?示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ?与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。?坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ?人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ?传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ?位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。?故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障
工业机器人控制系统组成及典型结构
工业机器人控制系统组成及典型结构 一、工业机器人控制系统所要达到的功能机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 二、工业机器人控制系统的组成 1、控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32 位、64 位等如奔腾系列CPU 以及其他类型CPU 。 2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的 CPU 以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。 5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 10 、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 11 、网络接口 1) Ethernet 接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC 通信，数据传输速率高达 10Mbit/s ，可直接在PC 上用windows 库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP 通信协议，通过Ethernet 接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。
嵌入式机器人
嵌入式机器人 以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统(Embedded System)是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向 机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的，机器人技术的研究就是嵌入式技术的应用，而嵌入式技术的发展必定促进机器人智能化水平。机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的，机器人技术的研究就是嵌入式技术的应用，而嵌入式技术的发展必定促进机器人智能化水平。 现有的大多数机器人，都采用单片机作为控制单元，以8位和16位最为常见，其处理速度较低，没有操作系统，无法实现丰富的多任务功能，系统的潜力没有得到充分的发掘和应用。基于ARM9的机器人视觉系统的目标是在选定好的S3C2410平台上移植并配置Linux操作系统，针对平台和应用的特点，制作合适的文件系统，为机器人视觉系统构建稳定的软硬件开发环境。其次编写应用程序，通过S3C2410平台，从USB摄像头实时采集图像，并利用这款嵌入式处理器的强大运算能力，对图像进行后期的处理，完成目标识别与定位，作为机器人动作单元的输入。最后针对机器人关节所使用的电机，编写特定的设备驱动程序，保证操作系统可准确地控制机器人动作，响应视觉处理的结果，开发一套完整的"机器人视觉系统"。 (1) 视觉系统 采用USB摄像头作为视觉采集器件。其优点是接口通用，驱动丰富，传输速率快。同时，Linux操作系统对于USB设备的支持较好，方便了应用程序的编写和调试。网眼(WebEye)v2000摄像头，采用了ov511芯片(Linux源代码中有相应的驱动程序)，适合用于开发。 这里采用高端的32位嵌入式微处理器：基于ARM体系结构的S3C2410芯片(由三星公司生产)，其主频为200MHz。它提供了丰富的内部设备：分开的16kB指令Cache 和16kB数据CacheMMU虚拟存储器管理、LCD控制器、支持NAND Flash系统引导、系统管理器、3通道UART、4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O端口、RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口、IIC-BUS接口、USB主机、USB设备、SD主卡和MMC 卡接口、2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器。S3C2410采用了ARM920T内核，0.18μm工艺的CMOS标准宏单元和存储器单元。 (2) 硬件平台组成 一块核心母板，配备CPU、16MB的NOR Flash、64MB的NAND Flash、32MB 的SDRAM，并设置系统从NAND Flash启动；一块外设电路板，负责系统和外设器件
机器人控制器的现状及展望
第21卷第1期1999年1月 机器人 ROBOT V ol.21,No.1 J a n.,1999机器人控制器的现状及展望⒇ 范 永 谭 民 (中国科学院自动化研究所 北京 100080) 摘 要 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词 机器人控制器,开放式结构,模块化 1 引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2 机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 2.1 串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1)单CPU结构、集中控制方式 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,如Hero-I,Robo t-I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢. (2)二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,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增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个C PU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 ⒇1998-09-03收稿 DOI:10.13973/https://www.sodocs.net/doc/2518222900.html, k i.rob ot.1999.01.014
基于ARM的嵌入式系统在机器人控制系统中的应用.
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嵌入式系统及其在机器人中的应用
嵌入式系统及其在机器人控制中的应用 2012-6-11 （XXXX，XXXX，XXXX） 摘要：介绍了嵌入式系统的相关概念及其特点，综述了嵌入式系统在机器人运动控制系统、远程控制、视频监控系统等方面的相关应用。在了解了嵌入式系统在机器人控制中的应用现状的基础上，提出了基于嵌入式系统的机器人技术的发展趋势。 关键词：嵌入式机器人远程控制视频监控 Embedded System and its Application in the System of Robot Control WuMengmeng (School of Mechanical Engineering, Nantong University, 11100003) Abstract:The related concepts and characteristics of the embedded system were introduced in this paper. The motion control system, remote control and video monitoring systems which used embedded system was also reviewed.By understanding the present situation of the application of embedded system used in robot control, the development tendency of robot technology based on embedded system was put forward. Keywords: embedded system, robot, remote control, video monitoring systems 引言 以嵌入式计算机为核心的嵌入式系统(Embedded System)是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向，它以其强大而灵活的可应用性得到了计算机、通信和信息等产业的广泛认可，已被广泛应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人控制等领域[1]。嵌入式系统的出现与发展将真正实现计算机的“无处不在”。 机器人技术的发展从来就是与嵌入式系统的发展紧密联系在一起的，机器人技术的研究就是嵌入式技术的应用，而嵌入式技术的发展必定促进机器人智能化水平。70年代中期以后，由于智能控制理论的发展和微处理器的出现，机器人逐渐成为研究的热点，并且获得了长足的发展。目前，嵌入式系统在机器人控制系统被广泛采用。 1 嵌入式系统 1.1 嵌入式系统的定义及其特点 嵌入式系统从应用角度出发，它是20世纪70年代以后计算机发展的一个分支，以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有严格要求的专用计算机系统。简单的说，嵌入式系统是嵌入到目标体系中的专用计算机系统[1]。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式软件操作系统以及用户的应
嵌入式与机器人不得不说的故事
嵌入式系统在机器人控制中的应用 1嵌人式系统的简介 嵌入系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它主要由嵌入微处理器、外围硬件设备、嵌人式操作系统以及用户应用软件等部分组成。用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能，它通常嵌人在主要设备中运行。 一个最小的嵌人式系统的基本组成为: ①一个用作引导的可用设施(工具)； ②一个具备内存管理，进程管理和定时器服务的LINUX微内核； ③一个初始进程； ④硬件的驱动程序； ⑤一个或几个应用进程以提供必要的应用功效。 嵌入式系统与普通的PC系统相比主要具有以下特点： (1) 嵌入式系统功耗低，体积小，专用性强。嵌入式CPU工作在为特定用户群设计的系统中，能够把PC中许多板卡完成的任务集成到芯片内部，有利于嵌入式系统设计的小型化。 (2) 嵌入式系统中的软件一般固化在存储芯片或单片机本身中，以提高实行速度与系统可靠性。硬软件都必须高效设计，系统要精简，对软件代码质量要求很高。操作系统一般和软件集成在一起。 (3) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境。 2 嵌入式系统在机器人中的应用 不论是在工业控制中，还是在商业领域里，机器人技术都得到了广泛的应用。从用于生产加工的传统工业机器人到丰富大众生活的现代娱乐机器人，都与嵌入式系统密不可分。现有的大多数机器人，都采用单片机作为控制单元，以8位和16位最为常见，其处理速度较低，没有操作系统，无法实现丰富的多任务功能，系统的潜力没有得到充分的发掘和应用。 随着嵌入式控制器越来越微型化、功能化。机器人技术获得更大的发展机遇，无论从控制系统的结构还是机器人的智能程度方面都得到了很大的提高。以索尼的机器狗为代表的智能机器宠物是最典型的嵌入式机器人控制系统，除了能够实现复杂的运动功能，它还具有图像识别、语音处理等高级人机交互功能，它可以模仿动物的表情和运动行为。火星车也是一
嵌入式系统在智能机器人中的应用
嵌入式系统在智能机器人中的应用 吉祥利 (中南大学信息科学与工程学院电子信息工程湖南长沙 410075） 摘要(abstract)：简要介绍嵌入式系统的概念，技术特点.重点阐述嵌入式系统在机器人控制中的应用.以嵌入式智能足球机器人为例，利用模块化和可扩展的思想设计和分析了硬件系统和软件系统.嵌入式智能机器人平台具有硬件体积小、模块化、易扩展、功耗低，软件实时性强、可定制、可靠性高等优点，其具有广泛的应用前景. 关键词(key words)：嵌入式系统，智能机器人，Windows CE．NET，人机交互. 1引言(Introduction) 随着科学技术的进步,机器人得到了快速的发展，促进了机器人被广泛的应用到各行各业中.但目前机器人的智能水平并不高，仍处于初级阶段，智能机器人研究面临俩个核心问题：一是提高机器的自主性，即希望机器进一步独立于人,具有更为友善的人一机界面；二是提高机器的适应性，即就机器与环境的关系而言,希望加强它们之间的交互关系[1]. 为促进当前智能机器人研究和应用，迫切需要开发“具有开放式结构的、模块化、标准化的嵌入式智能机器人平台”．这种智能机器人平台具有硬件体积小、模块化、易扩展、功耗低，软件实时性强、可定制、可靠性高等优点，可以广泛地应用于自主式移动机器人上，将有着广泛的应用前景[2]. 2 嵌入式系统简介(Embedded Intelligent Robot introduction) 一般来说,嵌入式系统是执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系 统0,即嵌入到对象体系中的专用计算机系统0,嵌入性0,专用性0与计算机系统0是嵌入式系统的三个基本要素.它主要完成信号控制的功能,体积小,结构紧凑,可作为一个部件埋藏于所控制的装置中,它提供用户接口、管理有关信息的输入输出、监控设备工作,使设备及应用系统有较高智能和性价比.嵌入式系统由嵌入式硬件与嵌入式软件组成,硬件以芯片、模板、组件、控制器形式埋藏于设备内部,软件是实时多任务操作系统和各种专用软件,一般固化在ROM或闪存中。嵌入
工业机器人控制的功能、组成和分类
1. 对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ·记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ·示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ·与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 ·坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ·人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ·传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ·位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 ·故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 2．机器人控制系统的组成（图1） （1）控制计算机控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等，如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 （2）示教盒示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 （3）操作面板由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 （4）硬盘和软盘存储存储机器人工作程序的外围存储器。 （5）数字和模拟量输入输出各种状态和控制命令的输入或输出。 （6）打印机接口记录需要输出的各种信息。 （7）传感器接口用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 （8）轴控制器完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 （9）辅助设备控制用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 （10）通信接口实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 （11）网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC 上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、AB Remote I/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET 等。
机器人地组成系统
一．工业机器人组成系统 工业机器人由主体、驱动系统和控制系统三个基本部分组成。主体即机座和执行机构，包括腰部、肩部、肘部和手腕部，其中手腕部有3个运动自由度。驱动系统包括动力装置和传动机构，用以使执行机构产生相应的动作。控制系统是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。 工业机器人按执行机构运动的控制机能，又可分点位型和连续轨迹型。点位型只控制执行机构由一点到另一点的准确定位，适用于机床上下料、点焊和一般搬运、装卸等作业；连续轨迹型可控制执行机构按给定轨迹运动，适用于连续焊接和涂装等作业。 工业机器人按程序输入方式区分有编程输入型和示教输入型两类。编程输入型是将计算机上已编好的作业程序文件，通过RS232串口或者以太网等通信方式传送到机器人控制柜。 示教输入型的示教方法有两种：一种是由操作者用手动控制器(示教操纵盒)，将指令信号传给驱动系统，使执行机构按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍；另一种是由操作者直接领动执行机构，按要求的动作顺序和运动轨迹操演一遍。在示教过程的同时，工作程序的信息即自动存入程序存储器中在机器人自动工作时，控制系统从程序存储器中检出相应信息，将指令信号传给驱动机构，使执行机构再现示教的各种动作。示教输入程序的工业机器人称为示教再现型工业机器人。 几个问题： （1）巨轮机器人JLRB20KG机器人是点位型还是连续轨迹型？ （2）能不能编写一个简单程序，使机器人能够的末端能够走一个圆？ （3）能不能控制机器人中每一个电机的输出功率或扭矩？ （4）机器人每一个关节从驱动电机到执行机构的传递效率有没有？ 二．工业机器人的主体 机器人本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。共有六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。机器人采用电机驱动，电机分为步进电机或直流伺服电机。直流伺服电机能构成闭环控制、精度高、额定转速高、但价格较高，而步进电机驱动具有成本低、控制系统简单。 各部件组成和功能描述如下：
工业机器人嵌入式实时控制系统
工业机器人嵌入式实时操纵系统 1操纵系统结构 工业机器人操纵系统是一个多任务并行并具有很高实时性的系统。当前主流操纵系统大致分为两种结构［10］。一是多处理器主从式的操纵系统。主机一般为IPC，使用INTEL的CPU，运行的是非实时操作系统，例如windows。在主CPU中主要运算一些非实时任务。从机可能是运动操纵卡或运动操纵器，负责执行伺服操纵等实时性高的任务，其CPU一般为嵌入式的DSP，负责复杂的信号处理和伺服操纵等运算，再加上FPGA芯片负责系统I/O信号处理。第二种系统结构是单处理器配合实时操作系统。在这种操纵器中，所有的任务都要在一个CPU上实行，这就对各个任务如何合理使用CPU时间提出了极大的要求。一开始的机器人多采纳单个处理器，但因为当时处理器性能不高，且不能运行实时操作系统，难以满足对机器人实时性以及复杂的伺服操纵的要求。所以随着时间的推移，多处理器结构占据了主流。近年来，嵌入式实时操作系统的进展给单机处理器完成机器人操纵任务提供了可能。通过实时操作系统对所有任务实行CPU时间分配，达到多任务并行处理的效果和极短的中断响应时间，能够达到机器人操纵需求。 操纵系统对输入数字信号的处理和伺服电机的操纵等都在μC/OS-III 中编写用户应用代码来完成。要使用μC/OS-III，首先要完成 μC/OS-III在STM32F4上的移植。这其中涉及对源代码中与CPU相关的代码的修改，包括μC/OS-III中CPU相关代码和μC/CPU中相关代码。移植好后，通过系统配置模块来给μC/OS-III相对应模块和用户代码文件实行参数设置，便可在μC/OS-III系统下，利用μC/OS-III 提供的丰富的API函数来编写用户任务代码。BSP文件包含操纵板上所有外设的初始化，这样用户才能使用这些外设来输出输入相对应的信号。对用户代码，即软件结构的分析将在下一节实行。这样，系统软硬件架构都是具有模块化和开放性特征，便于修改和升级。 2操纵系统软件结构
基于嵌入式系统的机器人定位技术的研究
基于嵌入式系统的机器人定位技术的研究 发表时间：2017-12-31T10:19:55.160Z 来源：《电力设备》2017年第25期作者：桑运晓刘同壮贾超伟潘俊朋[导读] 摘要：机器人的准确定位是其完成导航、控制任务的关键。（山东科技大学机械电子工程学院山东青岛 266590）摘要：机器人的准确定位是其完成导航、控制任务的关键。本文针对一套自主研发嵌入式系统机器人，研究了机器人的定位技术，文章主要从硬件系统和软件系统两个方面进行阐述。关键词：嵌入式系统；机器人；定位技术随着机器人性能不断地提高，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等场合也有很好的应用前景。因此，移动机器人技术已经得到全世界的普遍关注。 一、硬件系统本课题所设计的的嵌入式系统的机器人定位系统按照功能可以划分为五大部分：机械结构子系统、传感器子系统、机器人供电子系统、定位子系统和上位机。其硬件体系结构框图如图。图3.1硬件体系结构框图机械结构子系统：本课题研究所用的移动机器人实验平台为学校自主开发，机械结构部分主要包括车身、电机、车轮及车轴连接件等。采用三轮结构，前轮为万向轮，两个后轮为差动驱动轮，由两个直流电机驱动。机械结构子系统是轮式机器人定位系统的载体，但在实验过程中定位子系统也可以脱离机械结构子系统单独进行调试。传感器子系统：使用TI的16位模数混合处理芯片MSP430F149为核心，控制相关传感器，为定位提供当前周围环境测距、加速度、角速度和罗盘方位等信息。设计了RS-485及RS-232接口，并使用工业级Modbus协议与上位机平台进行通讯。 GPS定位子系统：以HOLUX公司的GR-87型GPS定位模块为卫星接收模块，微控制器为TI公司的MSP430系列中的F149型单片机，对符合NMEA-0183协议的地理位置信息进行解析，然后在MzLH04-12864点阵LCD模块上显示当前位置与运动信息，以方便调试。同时通过RS-232串口按照Modbus协议的RTU模式与上位机进行通讯。机器人供电子系统：由两块铅酸蓄电池和机器人专用电源模块组成，给各个子系统供电。除了提供+5、+9、±15和+24输出外，还具有电压电流监测，过流保护，电池的过充过放保护等功能。上位机电子地图定位软件系统：通过RS232串口以Modbus协议的RTU模式分别与GPS定位子系统和传感器子系统进行通讯。 二、软件系统本课题的软件系统按照结构体系分为三大部分：GPS定位子系统、传感器子系统和上位机电子地图定位软件系统。按照控制结构分为三个层次：传感器层、信息处理层和上位机显示综合层，如图3.2所示。第一功能层：传感器层。该层主要由三轴加速度检测、电子罗盘方向检测、超声波测距检测、三轴陀螺仪角速度检测、GR87卫星定位模块组成，分属于传感器子系统和GPS定位子系统，用于采集机器人的经纬度坐标、运动状态与环境信息。各模块都有相应的信号调理电路，并通过一定的接口（RS232，SPI等）与所属的子系统控制器相连接。 图3.2软件体系层次图第二功能层：信息处理层。GPS定位子系统主要从事NMEA-0183协议的解析工作，采取串口中断触发模式，然后分析从GR87卫星定位模块收到的信息并进行解析，再经过时间调整等一系列处理，最后存储在缓存区，等待上位机的命令，如果需要就按照Modbus协议发送定位信息数据帧给上位机。同时实时显示当前的位置与运动状态信息，以及有关卫星的信息。传感器子系统主要完成对当前环境测距、加速度、角速度和罗盘方位等信息的采集和处理功能，并可以与通过Modbus协议上位机通讯。第三功能层：上位机显示综合层。电子地图定位软件采用VisualBasic6.0语言开发，以GoogleEarth中的三维立体卫星拍摄的实景图片作为地图，更加生动直观，可以方便的找到参照物。该软件定时通过Modbus协议与GPS定位子系统和传感器子系统进行通讯，得到移动机器人的实时位置状态、运动状态与环境信息，并通过地图界面显示出来。同时还具有距离测量，运动轨迹显示等功能。在用户输入基准点经纬度坐标后，还可以根据差分GPS定位原理进行差分定位，进一步提高定位精度。信息处理层定时从传感器层获取信息，并进行处理，将处理结果存储至缓存区，然后等待上位机显示综合层的命令。上位机显示综合层通过与两个子系统之间按照Modbus协议获取信息，并综合处理再显示。结论 本文基于一套自主研发的轮式机器人，研究了移动机器人的定位技术，设计了该轮式机器人基于全球定位系统的定位体系结构，实现了基本的定位与电子地图功能，切实提高了该轮式机器人的自动化水平，为后续研究提供了良好的软硬件平台。参考文献：
机器人控制系统详解
机器人控制系统详解 如果仅仅有感官和肌肉，人的四肢并不能动作。一方面是因为来自感官的信号没有器官去接收和处理，另一方面也是因为没有器官发出神经信号，驱使肌肉发生收缩或舒张。同样，如果机器人只有传感器和驱动器，机械臂也不能正常工作。原因是传感器输出的信号没有起作用，驱动电动机也得不到驱动电压和电流，所以机器人需要有一个控制系统，用硬件和软件组成一个的控制系统。 机器人控制系统概念 机器人控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。控制系统意味着通过它可以按照所希望的方式保持和改变机器、机构或其他设备内任何感兴趣或可变化的量。控制系统同时是为了使被控制对象达到预定的理想状态而实施的。控制系统使被控制对象趋于某种需要的稳定状态。 机器人控制系统的功能要求 1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。机器人控制系统的主要种类 控制系统的任务，是根据机器人的作业指令程序、以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成的运动和功能。假如机器人不具备信息反馈特征，则为开环控制系统；若具备信息反馈特征，则为闭环控制系统。
嵌入式在机器人中的应用
近年来，基于机器视觉的智能机器人在工业等各个领域中得到了广泛的应用.本文针对应用中遇到的一些问题，提出了将机器视觉与嵌入式系统相结合的思想.开发了一种通用的嵌入式系统平台，进行操作系统的移植和图像匹配等算法的研究，并将其应用于移动机器人的视觉导航，取得了较好的效果。 随着Internet技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式设备与Internet 的结合已成为大势所趋。此时期新的微处理器层出不穷，要求嵌入式操作系统的设计更加便于移植，支持更多的微处理器。嵌入式系统的开发需要强大的硬件开发工具和软件支持包。通用计算机上使用的新技术、新观念开始逐步移植到嵌入式系统中，如嵌入式数据库、移动代理、实时CORBA等。各类嵌入式Linux操作系统在全球数以百万计爱好者的合力开发下迅速发展，由于具有源代码开放、系统内核小、执行效率高、网络功能强，多媒体人机交互界面友好等特点，很适合信息家电等嵌入式系统的需要。 一、嵌入式系统的技术特点 早期的嵌入式系统设计方法，通常采用“硬件优先”原则，即在只粗略估计软件任务需求的情况下，首先进行硬件设计与实现。然后，在此硬件平台上再进行软件设计。因而很难达到充分利用软硬件资源，取得最佳性能的效果。同时，一旦需要对设计进行修改时，整个设计流程将重新进行，这对成本和设计周期的影响很大。这种传统的设计方法只能改善软件/硬件各自的性能，在有限的设计空间不可能对系统做出较好的性能综合优化，在很大程度上依赖于设计者的经验和反复实验。 上世纪90年代以来，随着电子系统功能的日益强大和微型化，硬件和软件也不再是截然分开的两个概念，而是紧密结合、相互影响的。因而出现了软硬件协同(codesign)设计方法，即使用统一的方法和工具对软件和硬件进行描述、综合和验证。在系统目标要求的指导下，通过综合分析系统软硬件功能及现有资源，协同设计软硬件体系结构，以最大限度地挖掘系统软硬件能力，避免由于独立设计软硬件体系结构而带来的种种弊病，得到高性能低代价的优化设计方案。 二、嵌入式系统的发展趋势 在网络、通信、微电子发展的基础上，以及势不可挡的数字化信息产品的强大需求推动下，嵌入式技术具有广阔的发展创新空间。 (1) 低功耗、高性能、高可靠性的系统需求对我国芯片设计是一个机遇。以嵌入式处理器为领头的国产CPU、片上系统(SoC)、片上网络系统(NoC)将有很大的发展。 (2) Linux正逐渐成为嵌入式操作系统的主流；J2ME技术也将对嵌入式软件的发展产生深远影响。目前自由软件技术备受青睐，并对软件技术的发展产生了巨大的推动作用。嵌入式操作系统内核不仅需要具有微型化、高实时性等基本特征，还将向高可信性、自适应性、构件组件化方向发展；支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化；系统软件对无线通信和能源管理的功能支持将日益重要。近几年来，为使嵌入式设备更有效地支持Web服务而开发的操作系统不断推出。这种操作系统在体系结构上采用面向构件、中间件技术，为应用软件乃至硬件的动态加载提供支持，即所谓的"即插即用"，在克服以往的嵌入式操作系统的局限性方面显示出明显的优势。 (3) Java虚拟机与嵌入式Java将成为开发嵌入式系统的有力工具。嵌入式系统的多媒体化将变成现实。它在网络环境中的应用已是不可抗拒的潮流，并将占领网络接入设备的主导地位。 (4) 嵌入式系统与人工智能、模式识别技术的结合，将开发出各种更具人性化、智能化的实际系统。智能手机、数字电视，以及汽车电子的嵌入式应用，是这次机遇中的切入点。伴随网络技术、网格计算的发展，以嵌入式移动设备为中心的"无所不在的计算"将成为现实。 三、嵌入式系统在机器人技术中的应用
工业机器人控制系统的组成教学内容
工业机器人控制系统 的组成
工业机器人控制系统的组成 1、控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32位、64位等如奔腾系列CPU以及其他类型CPU。 2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的CPU以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。 5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 10、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 11、网络接口 1）Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 2）Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Devicenet、ABRemoteI/O、Interbus-s、profibus-DP、M-NET等。
工业机器人控制系统分类 1、程序控制系统：给每一个自由度施加一定规律的控制作用，机器人就可实现要求的空间轨迹。 2、自适应控制系统：当外界条件变化时，为保证所要求的品质或为了随着经验的积累而自行改善控制品质，其过程是基于操作机的状态和伺服误差的观察，再调整非线性模型的参数，一直到误差消失为止。这种系统的结构和参数能随时间和条件自动改变。 3、人工智能系统：事先无法编制运动程序，而是要求在运动过程中根据所获得的周围状态信息，实时确定控制作用。 4、点位式：要求机器人准确控制末端执行器的位姿，而与路径无关。 5、轨迹式：要求机器人按示教的轨迹和速度运动。 6、控制总线：国际标准总线控制系统。采用国际标准总线作为控制系统的控制总线，如VME、MULTI-bus、STD-bus、PC-bus。 7、自定义总线控制系统：由生产厂家自行定义使用的总线作为控制系统总线。 8、编程方式：物理设置编程系统。由操作者设置固定的限位开关，实现起动，停车的程序操作，只能用于简单的拾起和放置作业。
嵌入式机器人
嵌入式机器人视觉系统的设计与实现 （南通大学电气工程学院电134） [摘要]科技的飞速发展推动了工业生产的自动化,基于机器视觉的智能机器人在工业等各个领域中得到了广泛的应用。本文大胆提出了将机器视觉与嵌入式系统相结合的思想。针对嵌入式系统资源的有限性，提出了一种基于DSP的机器人视觉系统的嵌入式解决方案，包括设计系统的硬件平台、操作系统的移植、应用软件的开发等[1]。 [关键词] ：嵌入式、机器人视觉、ARM、DSP 一、现状 人类正在进入信息时代,计算机将越来越广泛地进入几乎所有领域，一方面是更多未经计算机专业训练的人也需要应用计算机,而另一方面是计算机的功能越来越强,使用方法越来越复杂,这就使人在进行交谈和通讯时的灵活性与目前在使用计算机时所要求的严格和死板之间产生了尖锐的矛盾。人可通过视觉和听觉,语言与外界交换信息,并且可用不同的方式表示相同的含义,而目前的计算机却要求严格按照各种程序语言来编写程序,只有这样计算机才能运行。为使更多的人能使用复杂的计算机,必须改变过去的那种让人来适应计算机,来死记硬背计算机的使用规则的情况，而是反过来让计算机来适应人的习惯和要求,以人所习惯的方式与人进行信息交换,也就是让计算机具有视觉!听觉和说话等能力。这时计算机必须具有逻辑推理和决策的能力，具有上述能力的计算机就是智能计算机，智能计算机不但使计算机更便于为人们所使用,同时如果用这样的计算机来控制各种自动化装置特别是智能机器人,就可以使这些自动化系统和智能机器人具有适应环境和自主决策的能力。这就可以在各种场合取代人的繁重工作,或代替人到各种危险和恶劣环境中完成任务[2]。 （1）DSP技术的发展应用现状 现在DPS产品的应用已扩大到人们的学习工作和生活的各个方面,并逐渐成为电子产品更新换代的决定因素。随着DSP性能的不断改善,用DSP作实时处理已经成为当今和未来发展的一个新热点,随着生产技术的改进和产量的增大,其成本与价格则大幅度下降,使得它的应用范围不断扩大,成为当前产量和销售量增长幅度最大的电子产品之一。 (2)机器人视觉的发展 机器视觉系统按其发展可分为三代，第一代机器视觉的功能一般是按规定流程对图像进行处理并输出结果，这种系统一般由普通数字电路搭成,主要用于平板材料的缺陷检测。第二代机器视觉系统一般由一台计算机,一个图像输入设备和结果输出硬件构成，视觉信息在机内以串行方式流动,有一定学习能力以适应各种新情况。第三代机器视觉系统是目前国际上正在开发使用的系统以采用高速图像处理芯片,并行算法,具有高度的智能和普通方法的适应性,并以模拟人的高度视觉功能为目标[3]。 二、系统的硬件设计方案 基于 DAM6416P 图像处理平台的机器人视觉系统的硬件的组成部分:CCD 摄像头、视频解码器(高速 AD)、DSP 处理块和外部显示器等部分构成。其中视频解码器采用 BT835, 支持 PAL 制式的 4:2:2 的 YUV 视频格式输入 ;DSP 的主频600MHz, 包含两条外部总线 EMIFA 和 EMFB; SDRAMA 是256M的外部存储器, 它兼有两种功能, 图像采集时作为帧存贮器, 图像处理时作为 DSP 扩展内存;Flash 共 4MB, 用于存储DSP 的引导程序及主程序[4]。 三、系统的软件设计方案 本系统DSP端的程序在CCS2.20环境下进行开发,首先定义由视频解码器BT835采集PAL 制式的模拟视频输入和VGA视频输出格式,然后利用板级开发函数库IEKLIB中定义的VIDEO
第02章 机器人的基本结构原理
教案首页 课程名称农业机器人任课教师李玉柱第2章机器人的基本结构原理计划学时 3 教学目的和要求： 1.弄清机器人的基本构成； 2.了解机器人的主要技术参数； 3.了解机器人的手部、腕部和臂部结构； 4.了解机器人的机身结构； 5.了解机器人的行走机构 重点： 1.掌握机器人的基本构成 2.弄清机器人都有哪些主要技术参数 3.机器人的手部、腕部和臂部结构 难点： 机器人的手部、腕部和臂部结构 思考题： 1.机器人由哪些部分组成？ 2.机器人的主要技术参数有哪些？ 3.机器人的行走机构共分几类，请想象未来的机器人能 否有其它类型的行走机构？
第2章概论 教学主要内容： 2.1机器人的基本构成 2.2机器人的主要技术参数 2.3人的手臂作用机能初步分析 2.4机器人的机械结构构成 2.5机器人的手部 2.6机器人的手臂 2.7机器人的机身 2.8机器人的行走机构 本章介绍了机器人的基本构成、主要技术参数，人手臂作用机能，在此基础上对机器人的手部、手腕、手部、。机身、行走机构等原理及相关的结构设计进行讨论，使学生对机器人的机构和原理有较为清楚的了解。 2.1机器人的基本构成 简单地说：机器人的原理就是模仿人的各种肢体动作、思维方式和控制决策能力。 不同类型的机器人其机械、电气和控制结构也不相同，通常情况下，一个机器人系统由三部分、六个子系统组成。这三部分是机械部分、传感部分、控制部分；六个子系统是驱动系统、机械系统、感知系统、人机交互系统、机器人-环境交互系统、控制系统等。如图2-1所示。
图2-1 机器人的基本构成 ● 机械．．系统．． 是由关节连在一起的许多机械连杆的集合体，形成开环运动学链系。连杆类似于人类的小臂、大臂等。关节通常分为转动关节和移动关节，移动关节允许连杆做直线移动，转动关节仅允许连杆之间发生旋转运动。由关节-连杆结构所构成的机械结构一般有3个主要部件，即手、腕、臂，它们可在规定的范围上运动。 ● 驱动系统．．．． 是使各种机械部件产生运动的装置。常规的驱动系统有气动传动、液压传动或电动传动，它们可以直接地与臂、腕或手上的机械连杆或关节连接在一起，也可以使用齿轮、带、链条等机械传动机构间接传动。