移动机器人

国外实力雄厚的机器人厂商，如ABB、库卡等，都开发了自己的教学装置[5]。ABB瑞士公司公司Flex拥有7.7英寸的显示屏和触摸屏，并配备了3D操纵杆、按钮和其他操作组件，支持热插拔和用户授权系统。德国库卡公司具有8.4英寸高分辨率防眩光显示屏，可以通过独立的手动按钮控制每个轴的运动。国内机器人厂商使用的教学设备大多是定制的。

3)以太网通信功能:教导员应具备以上速率的以太网通信接口，与机器人主控制器高速通信，发送指令，接收状态信息。

4)热插拔:示教器应具有热插拔功能，便于在机器人运行时更换示教器，或在不需要时拔出。

5)摇杆:示教装置要有摇杆等操作部件，以便控制各轴的运动，调整机器人的位姿。

6)按键:为了方便地控制机器人启动、停止、步进和后退，需要在示教装置上设置按键。

7)USB接口:教学设备应具有USB接口，以便连接u盘等外部存储设备进行数据备份和配置加载。

8)安全功能:为确保安全，教学装置上应设置三位安全开关和急停按钮。只有三位安全开关保持在“电机开启”状态，才能手动操作和调试机器人。在紧急情况下，可以通过按下紧急停止按钮来停止机器人，以确保设备和人员的安全。

根据上述功能要求，教学装置的总体设计方案如图1所示。

教学装置2的硬件设计与实现

2.1 CPU选择

CPU是教学装置的核心设备。在选择CPU时，为了简化系统设计，应尽可能减少外围电路。结合教学设备的功能要求，最好选择集成了以太网控制器、LCD控制器、触摸屏控制器和控制器的CPU。

综合考虑，我们选择了TI。公司基于的ARM -A8微处理器。该芯片的主频可达1GHz，具有DDR3控制器、LCD和触摸屏控制器、2个USB2.0高速OTG端口和8个ADC转换器。它有两个千兆以太网MAC控制器，支持RMII等接口，支持NAND、NOR等通用存储器。此外，它还具有可编程实时单元和支持协议的工业通信子系统，便于将来将教学设备扩展为工业机器人网络中的一个节点。

2.2电源电路的设计与实现

示教器的电源输入为24V DC，并在此基础上产生12V、5V、3.3V等电源，为外围电路和LCD背光供电。为了将外部电源与教学装置内部电源隔离，采用金圣阳。公司DC-DC模块实现24V到12V的转换。在转换过程中，2A保险丝被添加到输入端，用于过流保护。领养金圣阳公司-2000开关稳压器将12V电源转换为5V电源。选择TI公司低压差调节器-3.3产生3.3V电源。

为了实现教学设备的热插拔功能公司的热插拔控制器可以限制浪涌电流，并提供过流保护。具体电路如图2所示。热插拔电路简单易用，外接器件只需要一个P沟道管。

CPU供电方面，需要内核、MPU、DDR控制器、AD、USB模块等多轨供电。电源有很多种，这里选TI。公司基于的电源管理芯片(PMIC)可以提供三个降压转换器、一个升压转换器和八个LDO，可以满足电源要求，简化电路设计。

2.3存储电路的设计与实现

带DDR3控制器，在此基础上扩展2GB DDR3内存，选择选项。公司是的。实现时，通过地址线[14:0]、地址线[2:0]、数据线[15:0]、行线选择和列线选择写使能等控制信号连接。采用TI公司的端电压调节器为DDR3存储器提供稳定的终端电源和基准电压。具体电路如图3所示。

通过内置的通用内存控制器(GPMC)，4GB NAND得到扩展。在具体实现中，它与通过地址和数据线[7:0]、写使能和读使能数据锁存线以及命令锁存线连接。

2.4显示和触摸输入电路的设计与实现

配合LCD控制器，可支持24位数据输出。本设计中，扩展了8.4英寸TFT LCD真彩液晶屏。在具体实现中，通过LVDS平板显示发射机将[23:0]等28位电平的并行LCD信号转换为差分串行LVDS信号，提高了抗干扰能力。

教学装置的软件基于Qt框架设计实现，采用C++语言开发。运行在嵌入式系统中。

4测试结果和讨论

设计的教学装置在通用六轴机器人样机上进行了测试，测试结果如下:

1)板卡上12V和5V电压的纹波不超过+/-，CPU核和MPU的纹波不超过+/-。

2)DDR3内存工作正常，读写正确。

3)液晶数据LVDS差分传输速率87.5 MHz，液晶屏显示稳定，不受六轴电机转动等干扰影响。

4)以太网工作时钟为，通信速率为，通信稳定。

0.2V的空载时间电压存在于摇杆的所有三个方向上。软件消除死区后，线性度良好。

6)从用户启动示教装置上的功能到机器人系统开始执行该功能的时间不得超过。

目前，教学设备通过集成电缆与机器人主控制器通信。如果教学装置和主控制器能够在保证通信可靠的前提下无线连接，不仅可以大大减少工业现场的布线，还可以实现一台教学装置通过多点无线接入控制多台控制器。因此，开发一种能够实时可靠通信的无线教学设备是未来的发展方向。