工控机大作业剖析.docx
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工控机大作业剖析
机电工程学院
工业控制计算机及应用课程设计
学号：
专业：
机械电子工程
学生姓名：
任课教师：
于凌涛副教授
赵凌燕副教授
2014年5月
7自由度手术机器人控制系统设计
作业要求：
•1.设计7自由度手术机器人控制系统总体方案；
•2.选择元件并画出部分硬件电路图（A4）；
•3.设计控制软件界面及一路数据采集程序；
•4.监测末端所受外力。
概述
在现在的手术室，一般会有两到三名外科医生，一名麻醉师和几名护士，即使是最简单的手术也需要这么多人。
大多数外科手术需要将近十来个人在手术室。
手
术机器人全部都是自动化的，这会最大限度地减少操作人员。
展望一下未来，外科手术可能只需要一名外科医生、一名麻醉师以及一到两名护士。
在这个宽敞的手术室中，医生坐在手术室内或手术室外的计算机控制台前，使用手术机器人来完成以前需要很多人才能完成的手术。
使用计算机控制台从稍远的地方进行手术开创了远程手术的概念，就是让医生从离病人很远的地方来进行精密的手术。
如果医生不用站在病人的身旁进行手术，而是在离病人几十厘米远的计算机台旁远程控制机器人手臂，那么下一步将是从离得更远的位置来进行手术。
如果可以使用计算机控制台来实时移动机器人手臂，则在加利福尼亚的医生就可以对身在纽约的病人进行手术。
远程手术的主要障碍就是医生手的移动和机器人手臂做出的反应之间的时间延迟。
当前，医生必须与病人同在一室，以便机器人系统可以根据医生手的移动快速做出反应。
七自由度手术机器就是其中一例。
结构采用连杆式，关节处采用电机+减速器的形式，各个关节均有限位开关，防止由于“飞车”造成各种危险，限制关节运动范围以及设置回零，前三个是被动关节，采用电磁离合器；每个关节都有编码器；机器人末端有力传感器。
本设计为面向七自由度手术机器人的控制系统，可以分别检测机器人手臂不同工作模式下每个自由度的转角和转速，以及末端的力的大小，以及对电机启停，使能控制。
具体的功能说明如下
（1）后四个关节由直流伺服电动机驱动，电机配正交编码器检测转速、转角，电位计检测关节角度，2个行程开关
（2）机器人末端加2维力传感器，输出模拟量
（3）安全开关，报警
（4）自动控制时启动、停止的继电器、电机使能信号
控制方案
集中控制方式具有良好的人机接口和操作界面，以及一定数量的输入输出接口和通信接口有比较强的运算能力和数据处理能力具有良好的实时性，在一个采样周期内完成各个伺服回路的控制算法，信号采集，和轨迹规划等。
因此本设计采用集中式控制方式，工控机负责发送控制命令、数据输入、状态显示，接受传感器反馈回来的信息。
以及对对电机的控制以及编码器，电位计信号的处理工作。
系统整体控制框图如图4所示。
图4系统总体控制方案
方案说明：
1、如图4所示，机器人实现运动用的是速度反馈和位置反馈双环控制，用上位机通过CAN总线和和运动控制卡相连实现通讯，来通过数据采集卡传输控制信号控制各个驱动器，来驱动电机。
2，通过电位计的信息可以确定各个自由度的初始值
3、力传感器测出把手力的大小，大于给定值时语音报警，增强使用安全性能。
4、可以在限制机器人关节的运动角度，机器人关节运动角度的范围根据人关节运动角度范围设定，再人关节运动角度范围基础上减小一部分，这样可以保证安全，避免飞车.限位开关方便关节寻零运动，使每次运动之后，机器人都能回到最初的位置。
主要器件选型
（1）工控机的选择
因为工作环境不恶劣，但由于用于手术台，手术精度高。
选用工业平板电脑研华IPPC-9171G（PIV2.8G/含触屏）/Pentium42.8G/1GDDR/160GHDD/DVD/键盘/鼠标。
如下图所示。
IPPC-9171G采用PCA-6010全长P4CPU卡的主板，Pentium42.8G的CPU，4U高上架式机箱可支持到14个板卡，板上带有2个COM口，8个USB2.0，1个千兆网卡。
在本系统中，使用其2个PCI总线插槽安装四轴运动控制卡，使用2个PCI总线插槽安装编码器信息采集卡PCI-1784U和PCL-833。
1个PCI插槽安装数据采集卡PCI8335A。
（2）运动控制卡选型
PCI120接口卡集成2路CAN 通道，可以连接CAN 总线并实现CAN2.0B 协议（兼容 2.0A）的数据通讯。
兼容PCI2.2规范，即插即用。
（如图6所示）。
PCI120接口卡的每路CAN 通道都集成完全的电气隔离保护、防浪涌保护，抗干扰能力强，是一款性能稳定、通讯可靠的CAN 接口卡。
PCI120接口卡支持5Kbps~1Mbps 之间的波特率，提供多个操作系统的驱动程序、并附带VB，VC，C＋＋Builder，Dephi，VB2003，Labview 下的应用例程。
能真正的满足客户的各种应用需求，为工业通讯CAN网络提供了可靠性、高效率的解决方案。
图6运动控制卡
（2）数据采集卡选型
数据采集卡采用KPCI-8210PCI总线双口智能CAN卡。
它的主要特性有，通用PCI接口，兼容PCI2.2规范；同时支持CAN2.0A和CAN2.0B规范；通讯距离:
最长10Km；传输速率:
支持5Kbps~1Mbps之间的任意波特率； 单通道数据流量可达6000帧/秒；数据存储器：
FPGA内部集成8KB双口RAM作为数据缓冲区；隔离电压:
DC2500V；CAN接口：
光隔离两路CAN；电源功耗：
（不使用外部电源）＋5V（±10％）≤400mA ；提供API支持和多个应用工具。
（3）电机编码器选型
电机选择瑞士MAXON公司的电机maxon RE30大功率空心杯减速电机直流伺服电机 。
电压
24V
功率
60w
转速
2000转每分钟
堵转扭矩
400Kg.cm （40Nm）
连续扭矩
40Kg.cm （4Nm）
电机直径
30mm
减速箱直径
32mm
出轴直径
6mm （双D切面）
输出轴长
30mm
编码器：
500线双路A．B相输出
（5）驱动器选型
直流有刷电机驱动器采用军品级，由瑞哈科技有限公司自主开发完成。
本直流电机控制器的低成本解决方案是工业控制低成本理想的解决方案。
本驱动器运用先进的PWM脉宽调制技术调节输出电流，适用于直流有刷电机的转速调节、恒力矩输出、其他电流电气的电源控制，可提供外部正负模拟信号调节、调向等功能，具有调节方式灵活、保护功能齐全、功率部件提供硬件保护等特点。
输入电压范围：
直流10～48VDC。
调速电压：
-10～10线性隔离；
输出电流范围：
0～10A；
恒流控制精度：
误差小于5％；
输出电压效率：
99％。
方向控制：
1. 正电压正向，负电压负向；
2. FR可以直接控制电机运行方向；
J1为直流电机驱动电源输入和电机线
AC1
AC2
M+
M-
AC1、AC2：
电源输入，直流10～48VDC、交流8～36VAC；正负极兼容；
M+、M-：
电机线正反相。
J2为控制信号输入接口，从上至下依次为
FR
GND
BK
Vin-
Vin＋
Fwd/Rev
GND
Brake
模拟输入－
模拟输入+
1.Brake:
电机刹车信号，内部上拉。
接GND时电机惯性停止；
2.GND:
控制信号地；
3.Fwd/Rev:
电机正反转信号，改变FR的高低电平状态可以改变电机的运转方向；
4.Vin-、Vin+：
模拟信号输入端，内部线性隔离，-5～+5V区间线性可调，超过此范围，失去线性；最大安全输入范围-36～+36V。
（3）电位计选型
电位计选择P11L2V0FLSY00103KA位计。
如图９所示
图９电位计
加工定制
是
品牌
HUNGYUN
型号
PT15
种类
单圈
用途
精密
材料
金属膜
阻值调节方式
旋钮式
分辨率
3%
零位电阻
5欧姆
接触电阻
1%
（4）二维力传感器选型
选择耐特恩SMT型拉压力传感器。
SMT大过载保护S型； 量程范围：
5N～2000N；
精度等级：
±0.05%FS 输出信号：
2.0mV/V；
工作温度：
-25～80℃；
接线图
下图H桥驱动电机原理图。
软件界面
软件界面说明：
1、上电打开《七自由度手术机器人控制软件》，点击启‘开始’按钮，初始化控制程序。
2、选择手术机器人工作模式。
3、在手术机器人状态栏里对机器人各关节的状态进行实时显示，对机器人的启动、关闭状态进行提示，显示机器人安全警告状态。
4、在手术机器人运动状态栏里显示机器人运动状态。
是
否
否
是
模拟量输入程序：
一路模拟量数据采集前面板
程序框图
模拟量输入程序，此文通过labviewG程序进行设计，如图，本文只设计了一路模拟信号输入，即电位计信号的采集输入，是通过DAQ模块来实现的，首先通过一个采集信号开关决定开始，通过I/O口把信号通过通道1进行采样，并通过波形图表来显示采集到的信号，在信号出现错误或采集要题目要求的采样数据是停止采集。
总结
根据功能要求完成了七自由度手术机器人系统的设计，采用集中控制，较为详细的分析了七自由度手术机器人功能要求和各系统参数的控制要求，制定了控制方案，通过查阅大量文献资料，根据设计要求对工控机、、数据采集卡等进行了选型，并进一步学习了数据采集卡的使用。
依据系统功能要求和程序流程图，使用Labview编写了软件的操作界面，并编写了电位计反馈参数的数据采集程序。
通过这一过程的学习和总结，发现自己对控制系统的设计思路、labview编程、和数据采集卡的使用等方面存在不足，需要进一步的学习和提高.
最后感谢于凌涛老师，赵凌燕老师的一学期以来的悉心教导。
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